数字下变频器是怎么回事

在本文的第一部分“数字下变频器——第1部分”中，我们探讨了行业对更高频率rf频段采样的推动，以及数字下变频器（ddc）如何实现这种类型的无线电架构。讨论了与ad9680系列产品中的ddc相关的几个技术方面。其中一个方面是，更高的输入采样带宽允许无线电架构可以直接在更高的rf频率下采样，并将输入信号直接转换为基带。ddc使rf采样adc能够对此类信号进行数字化处理，而无需花费大量数据吞吐量。ddc中的调谐和抽取滤波可用于调谐输入频段并滤除不需要的频率。在本期中，我们将仔细研究抽取滤波，并将其应用于第 1 部分中讨论的示例。此外，我们还将介绍虚拟eval，它将adisimadc引擎集成到新的改进软件仿真工具中。虚拟评估将用于演示模拟结果与示例中测量数据的匹配程度。
在第 1 部分中，我们查看了一个示例，在该示例中，我们在 ddc 中使用 nco 和抽取滤波来查看 ddc 中频率折叠和转换的效果。现在，我们将仔细研究抽取滤波以及adc混叠如何影响抽取滤波的有效响应。我们将再次以ad9680为例。抽取滤波器响应经过归一化处理，以便可以看到和理解响应，并可以应用于每个速度等级。抽取滤波器响应随采样速率成比例。在这里包含的滤波器响应图中，没有准确给出具体的插入损耗与频率的关系，但形象地显示了滤波器的近似响应。这些示例旨在对抽取滤波器响应有一个大致的了解，以便大致了解滤波器通带和阻带所在的位置。
回想一下，ad9680有四个ddc，包括一个nco、最多四个级联半带（hb）滤波器（也称为抽取滤波器）、一个可选的6 db增益模块和一个可选的复数到实际转换模块，如图1所示。正如我们在第1部分所讨论的，信号首先通过nco，nco在频率上移动输入音调，然后通过抽取，可选地通过增益模块，并选择性地通过复数到实际转换。
图1.ad9680中的ddc信号处理模块。
我们将首先研究ad9680中复数到实际转换模块时ddc抽取滤波器。这意味着ddc将配置为接受实际输入并具有实际输出。在ad9680中，复数到实数转换自动将输入频率上移，幅度等于fs/4.图2显示了hb1滤波器的低通响应。这是hb1的响应，显示了真实和复杂的域响应。为了了解滤波器的实际操作，首先要看到真实域和复域中的基本滤波器响应，以便可以看到低通响应。hb1滤波器的通带为实际奈奎斯特区的38.5%。它还有一个停止带，是真实奈奎斯特区的38.5%，过渡带占剩余的23%。同样，在复域中，通带和阻带各占复奈奎斯特区的38.5%（总计77%），过渡带占剩余的23%。如图2所示，滤波器是真实域和复杂域之间的镜像。
图2.hb1 滤波器响应 — 真实域响应和复杂域响应。
现在，我们可以通过启用复数到实数转换块来观察将ddc置于实模式时会发生什么。启用复数到实际转换会导致 f 的偏移s/4频域。如图3所示，其中显示了频移和由此产生的滤波器响应。请注意筛选器响应的实线和虚线。实线和阴影区域表示这是 f 之后的新滤波器响应s/4频移（由此产生的滤波器响应不能越过奈奎斯特边界）。虚线用于说明，以显示如果不碰到奈奎斯特边界将存在的滤波器响应。
图3.hb1 滤波器响应 — 实际 ddc 模式（启用复杂到实际转换）。
请注意，hb1滤波器带宽在图2和图3之间保持不变。两者的区别是 fs/4频移和第一奈奎斯特区内产生的中心频率。但是，请注意，在图2中，信号的实部有38.5%的奈奎斯特，信号的复数部分有38.5%的奈奎斯特。在图3中，启用复数到实数转换模块后，实数信号的奈奎斯特为77%，复数域已被丢弃。滤波器响应保持不变，除了 fs/4频移。另请注意，作为此转换的乘积，抽取率现在等于 1。有效采样率仍为 fs但不是整个奈奎斯特区，而是奈奎斯特区只有 77% 的可用带宽。这意味着，启用hb1滤波器和复数到实际转换模块后，抽取率等于1（更多信息请参见ad9680数据手册）。
接下来，我们将研究不同抽取率的滤波器响应（即启用多个半带滤波器），以及adc输入频率的混叠如何影响有效的抽取滤波器响应。hb1的实际频率响应由图4中的蓝色实线给出。虚线表示hb1由于adc的混叠效应而产生的有效混叠响应。由于频率输入到2德·, 3rd, 4千等。奈奎斯特区别名为 1圣adc的奈奎斯特区，hb1滤波器响应有效地混叠到这些奈奎斯特区。例如，驻留在 3f 的信号s/4将在 f 处混叠到第一个奈奎斯特区s/4.重要的是要了解hb1滤波器响应仅驻留在第一个奈奎斯特区，并且adc的混叠导致hb1滤波器的有效响应似乎混叠到其他奈奎斯特区。
图4.由于adc混叠，hb1滤波器响应有效。
现在让我们看一下启用 hb1 + hb2 的情况。这导致抽取比为 2。同样，hb1 + hb2滤波器的实际频率响应由蓝色实线给出。滤波器通带的中心频率仍为fs/4.同时启用hb1 + hb2滤波器可获得奈奎斯特区的38.5%的可用带宽。再次注意adc的混叠效应及其对hb1 + hb2滤波器组合的影响。出现在 7f 处的信号s/8将在 f 处混叠到第一个奈奎斯特区s/8.同样是 5f 的信号s/8将在 3f 处混叠到第一个奈奎斯特区s/8.这些启用复数到真实转换模块的示例可以轻松地从hb1 + hb2扩展到包括hb3和hb4滤波器中的一个或两个。请注意，启用 ddc 时，hb1 筛选器不可绕过，而可以选择启用 hb2、hb3 和 hb4 筛选器。
图5.hb1 + hb2 由于 adc 混叠（抽取率 = 2）引起的有效滤波器响应。
现在，已经讨论了启用抽取滤波器的实际模式操作，现在可以检查ddc的复杂工作模式。ad9680将继续用作示例。与ddc的实际模式操作类似，将呈现归一化抽取滤波器响应。同样，此处包含的示例滤波器响应图没有显示具体的插入损耗与频率的关系，而是形象地显示了滤波器的近似响应。这样做是为了全面了解adc混叠如何影响滤波器响应。
当ddc处于复数模式时，它被配置为具有复数输出，该输出由实频域和复频域组成，通常称为i和q.回想一下图2，hb1滤波器具有低通响应，通带为实际奈奎斯特区的38.5%。它还有一个停止带，是真实奈奎斯特区的38.5%，过渡带占剩余的23%。同样，在复域中，通带和阻带各占复奈奎斯特区的38.5%（总计77%），过渡带占剩余的23%。
在启用hb1滤波器的复数输出模式下操作ddc时，抽取比等于2，输出采样速率是输入采样时钟的一半。扩展图2中的曲线以显示adc混叠的影响，我们得到了图6所示的内容。蓝色实线表示实际滤波器响应，蓝色虚线表示滤波器由于adc的混叠效应而产生的有效混叠响应。7f的输入信号s/8将在 f 处混叠到第一个奈奎斯特区s/8，将其置于hb1滤波器的通带中。同一信号的复杂图像位于–7fs/8并将复杂域中的别名为 –fs/8，将其置于复域中hb1滤波器的通带中。
图6.由于adc混叠（抽取率= 2）引起的hb1有效滤波器响应 - 复杂。
接下来，我们将查看启用 hb1 + hb2 的情况，如图 7 所示。这导致每个i和q输出的抽取比为4。同样，hb1 + hb2滤波器的实际频率响应由蓝色实线给出。同时启用hb1 + hb2滤波器会导致每个实域和复域中抽取奈奎斯特区的可用带宽为38.5%（f的38.5%s/4，其中 fs是输入采样时钟）。请注意adc的混叠效应及其对hb1 + hb2滤波器组合的影响。出现在 15f 的信号s/16将在 f 处混叠到第一个奈奎斯特区s/16.该信号在–15f处具有复杂的图像s/16复域中，并将别名到复域中的第一个奈奎斯特区 –fs/16.这些示例可以再次扩展到启用 hb3 和 hb4 的情况。本文未显示这些，但可以根据图7所示的hb1 + hb2的响应轻松推断。
图7.hb1 + hb2 由于 adc 混叠（抽取率 = 4）引起的有效滤波器响应 - 复杂。
在查看所有这些抽取滤波器响应时，我想到的一些问题可能是：“我们为什么要选择？”和“它提供了什么优势？”不同的应用有不同的要求，可以从adc输出数据的抽取中受益。一个动机是在rf频段的窄频带上获得信噪比（snr）。另一个原因是需要处理的带宽较少，导致jesd204b接口上的输出通道速率较低。这允许使用成本较低的fpga。通过使用所有四个抽取滤波器，ddc可以实现处理增益，并将snr提高多达10 db。在表1中，我们可以看到可用带宽、抽取比、输出采样率，以及在实际和复数模式下操作ddc时，不同的抽取滤波器选择所提供的理想snr改进。
表 1.ad9680的ddc滤波器特性
抽取滤波器选择复数输出实际输出别名保护
带宽理想的信噪比
改善
抽取率输出采样率抽取率输出采样率
ibp 2 0.5 × 华氏度s 1 fs 0.385 × 华氏度s 1
hb1 + hb2 4 0.25 × 华氏度s 2 0.5 × 华氏度s 0.1925 × 华氏度s 4
hb1 + hb2 + hb3 8 0.125 × 华氏度s 4 0.25 × 华氏度s 0.09625 × 华氏度s 7
hb1 + hb2 + hb3 + hb4 16 0.0625 × 华氏度s 8 0.125 × 华氏度s 0.048125 × 层s 10
对ddc工作原理的讨论让我们深入了解了ad9680中抽取滤波器的实际和复杂工作模式。利用抽取滤波有几个优点。ddc可以在实模式或复杂模式下工作，并允许用户根据特定应用的需要使用不同的接收器拓扑。现在可以将其与第1部分中讨论的内容放在一起，并有助于查看ad9680的真实示例。此示例将测量数据与来自虚拟评估的模拟数据放在一起，以便比较结果。™
在此示例中，将使用与第 1 部分中使用的相同条件。输入采样速率为491.52 msps，输入频率为150.1 mhz。nco 频率为 155 mhz，抽取率设置为 4（由于 nco 分辨率，实际 nco 频率为 154.94 mhz）。这导致输出采样速率为122.88 msps。由于ddc正在执行复杂的混频，因此复杂的频域包含在分析中。请注意，抽取滤波器响应已添加，在图8中以深紫色显示。
图8.信号通过ddc信号处理模块时的信号 - 如图所示抽取滤波。
nco 转移后的频谱：
基频从+150.1 mhz向下移动到–4.94 mhz。
基本波的图像从–150.1 mhz偏移到+186.48 mhz。
2德·谐波从 191.32 mhz 向下移动到 36.38 mhz。
3rd谐波偏移从 +41.22 mhz 降至 –113.72 mhz。
抽取 2 后的频谱：
基频保持在–4.94 mhz。
基波镜像向下转换为–59.28 mhz，并由hb2抽取滤波器衰减。
2德·谐波保持在 36.38 mhz。
3rd谐波由hb2抽取滤波器衰减。
抽取 4 后的频谱：
基波保持在–4.94 mhz。
基波镜像保持在–59.28 mhz，并由hb1抽取滤波器衰减。
2德·谐波保持在–36.38 mhz，并由hb1抽取滤波器衰减。
3rd谐波由hb1抽取滤波器滤除并几乎消除。
ad9680-500的实际测量结果如图9所示。基频为 –4.94 mhz。基波图像位于–59.28 mhz，振幅为–67.112 dbfs，这意味着图像已衰减约66 db。2德·谐波驻留在36.38 mhz，衰减了大约10 db至15 db。3rd谐波已经过充分滤波，因此在测量中不会超过本底噪声。
图9.ddc 后信号的 fft 复数输出，nco = 155 mhz 并抽取 4。
现在，虚拟评估可用于查看模拟结果与测量结果的比较情况。首先，从网站上打开该工具，然后选择一个要仿真的adc（参见图10）。虚拟评估工具位于adi公司网站的virtual eval上。ad9680型号位于虚拟评估中，集成了正在开发的新功能，允许用户仿真不同速度等级的adc。该特性是本示例的关键，因为该示例使用的是ad9680-500。加载虚拟评估后，第一个提示是选择产品类别和产品。请注意，虚拟评估不仅涵盖高速adc，还包含精密adc、高速dac和集成/专用转换器的产品类别。
图 10.虚拟评估中的产品类别和产品选择。
从产品选择中选择ad9680。这将打开ad9680仿真的主页。ad9680的虚拟评估模型还包括一个框图，详细介绍了adc模拟和数字特性的内部配置。该框图与ad9680数据手册中给出的框图相同。在此页面中，从页面左侧的下拉菜单中选择所需的速度等级。对于此处的示例，请选择 500 mhz 速度等级，如图 11 所示。
图 11.ad9680速度等级选择和虚拟评估框图
接下来，必须设置输入条件才能执行fft仿真（见图12）。回想一下，该示例的测试条件包括 491.52 mhz 的时钟速率和 150 mhz 的输入频率。在nco频率设置为155 mhz时使能ddc，将adc输入设置为实数，禁用复数到实数转换（c2r），ddc抽取率设置为4，ddc中的6 db增益使能。这意味着ddc设置为实际输入信号和抽取比为4的复数输出信号。使能ddc中的6 db增益是为了补偿ddc中混频过程造成的6 db损耗。virtual eval一次只会显示噪声或失真结果，因此包括两个图，其中一个显示噪声结果（图12），另一个显示失真结果（图13）。
图 12.ad9680 虚拟评估中的fft仿真—噪声结果。
图 13.ad9680 虚拟评估中的fft仿真—失真结果。
虚拟评估中表示了许多性能参数。该工具提供了谐波位置以及基本图像的位置，这在频率规划时非常方便。这允许用户查看基本图像或任何谐波音是否显示在所需的输出频谱中，从而有助于简化频率规划。虚拟评估中的仿真给出的信噪比值为71.953 dbfs，sfdr为69.165 dbc。但是，考虑一下，基本镜像通常不在输出频谱中，如果我们去除该杂散，则sfdr为89.978 db（当参考–1 dbfs输入功率时为88.978 dbc）。
图 14.ad9680 fft测量结果
虚拟评估模拟器在计算snr时不包括基本图像。确保在视觉模拟中调整设置™忽略测量中的基本图像，以获得正确的信噪比。这个想法是在基本图像不在所需频段内进行频率规划。信噪比的实测结果为71.602 dbfs，与虚拟电子中71.953 dbfs的仿真结果非常接近。同样，测得的sfdr为91.831 dbc，非常接近88.978 dbc的模拟结果。
virtual eval在准确预测硬件行为方面做得非常出色。设备行为可以在舒适的椅子上预测，并享用一杯热咖啡或茶。特别是对于ad9680等带有ddc的adc，virtual eval能够很好地模拟adc性能，包括镜像和谐波，以便用户可以进行频率规划，并在可能的情况下将这些不需要的信号保持在带外。随着载波聚合和直接rf采样的日益普及，在工具箱中拥有像virtual eval这样的工具非常方便。准确预测adc性能和频率规划的能力有助于系统设计人员在通信系统、军事/航空航天雷达系统和许多其他类型的应用中正确规划设计频率。我鼓励您利用adi公司最新一代adc中的数字信号处理功能。我还建议使用虚拟评估来帮助规划您的下一个设计，并提前了解预期性能。