如何为系统仿真对数据转换器进行建模？

本文将推出一系列文章，探讨如何为系统仿真的数据转换器建模。

工程师们经常想知道。在处理各种设计进度紧张的项目时，他们经常想知道他们想找到答案但没有时间的问题。他们仍然想知道。

在他的工程工作过程中，您的作者想知道有关与RF模拟信号以及I和Q数字信号之间的数据传输的各种问题。最近，他有时间寻求其中一些问题的答案，并在技术文章中提供了他能够获得的任何结果。前面的一篇文章讨论了”I和Q合并和分离应该以数字方式还是模拟方式进行？“和另一个提供”良好通信链路性能的要求".

最初文章中的图1显示了直接RF数模转换和直接RF模数转换的选项。（请注意，数模转换器{DAC}和模数转换器{ADC}统称为“数据转换器”。

图 1（a）.

调制器

图 1（b）.

解调器

在那篇文章中，您的作者想知道的一件事是：图1中的DAC和ADC对良好的通信链路性能的质量要求是什么？关于这个问题似乎没有太多出版物。

这让他想知道，如果他要模拟通信链路中的数据转换器，应该如何建模？

对于误码率 （BER） 模拟，将发现的误码数除以计算 BER 的总位数。对于具有统计显著性的结果，应该计算几百到一千个错误。即使对于 10-4 的相当高的 BER;计算 500 个错误需要 500 万位。为了使仿真在合理的短时间内运行，必须找到一个相当简单的模型，该模型可以充分捕获所有相关的数据转换器特性。

本文描述了他找到的信息。将讨论分成关于ADC和DAC的讨论是很有用的。版本 .02 中添加的注释;本文不考虑Σ-Δ型数据转换器。

模数转换器 （ADC） 的型号

下面的参考文献 [4] 至 [18] 讨论了 ADC 的分析、模型、仿真、测试和规格。特别是[13]、[14]、[16]和[17]提出了对ADC性能的某些方面进行建模的模型。作为一名工程师，您的作者想知道是否有可能使用更简单、更易于理解的模型。

图2显示了5位ADC的量化。有 2 个5 = 32 级。由于输入可以是正输入，也可以是负输入，因此称为双极性输入ADC。您的作者想知道的一个方面是峰值和平均信号之间相对于满量程 （FS） 的 dB 之间的差异。

图2.

图2中信号的峰值电压在+0.9375伏（FS+）和-1伏（FS-）之间;这是 ±1 伏到一个很好的近似值。

RF工程师习惯于处理信号的均方根值。正弦波的均方根值为0.707伏，相对于FS为3 dB。由于这在过去使您的作者感到困惑，他选择定义单位dBpeakFS（信号相对满量程的电压峰值dB）和dBrmsFS（信号相对于满量程的均方根值的dB）。

另一个问题涉及有人关心的ADC输出带宽。对于ADC的早期音频应用，人们通常担心完整的奈奎斯特带宽。

但是，对于图1（b）所示的直接RF采样，仅关注信号占用的奈奎斯特频带部分，加上少量保护频带。这导致作者定义了“相关带宽”，如图 3 所示。

“感兴趣的带宽”是由数字信号处理（DSP）处理的带宽。它通常是所需的信号带宽或更宽一点。

图3.

请注意，在图3中，尽管信号和“相关”带宽相同，但两者的中心频率却不同。这可能是由于第一篇文章中描述的带通采样，其中ADC时钟充当混频器的本振。ADC时钟的频率将表示为fS。奈奎斯特频率 = F奈奎斯特 = fS/2.

选择用于实现模型的输入信号

为了表征 ADC 以创建良好的模型，有必要定义有用的输入信号。大多数 ADC 规格都是使用单个正弦波输入创建的。然而，由于它的带宽为 0 Hz 并且没有包络变化，因此它看起来不是一个很好的信号。如图 4 所示，2 音输入具有大于 0 Hz 的带宽并且具有幅度变化。使用两个高质量信号源和正确的功率组合很容易在测试台上生成。此外，大多数数据表都有一些关于 2 音输入的设备性能的信息。

图 4。

[4] 和 [12] 中还提出了双音测试信号。已提出的其他测试信号包括具有任意频谱形状的高斯输入 [17] 和 AM 或 FM 信号 [5]。通常，这些需要不太常见的信号发生器，并且通常不会在数据表中显示为测试输入。

在下一篇文章中，我们将讨论使用有效位数 (ENOB) 的 ADC 模型。

参考

一般信息

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