应该如何为系统仿真建模数据转换器？

本文推出了一系列探讨如何为系统仿真建模数据转换器的问题。

工程师经常想知道。在设计时间紧迫的各种项目中工作时，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，您的作者想知道与 RF 模拟信号和 I 和 Q 数字信号之间的数据传输相关的各种问题。最近，他有时间去寻找其中一些问题的答案，并在技术文章中取得了他能够获得的任何结果。之前的一篇文章解决了“I 和 Q 组合和分离应该以数字方式还是以模拟方式完成？”的问题。另一个提供了“良好通信链路性能的要求”。

该初始文章中的图 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 的质量要求是什么才能获得良好的通信链路性能？关于这个问题似乎没有太多发表。

这让他想知道，如果他要模拟通信链路中的数据转换器，应该如何对其进行建模？

对于误码率 (BER) 模拟，发现的误码数除以总比特数以计算 BER。对于具有统计意义的结果，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，该模型能够充分捕捉所有相关数据转换器的特性。

这篇文章描述了他找到的信息。将讨论分成关于 ADC 和 DAC 的讨论很有用。在 .02 版中添加了注释；本文不考虑 Sigma-Delta 类型的数据转换器。

模数转换器 (ADC) 模型

下面的参考文献 [4] 至 [18] 讨论了 ADC 的分析、模型、仿真、测试和规范。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可能有一个更简单、更容易理解的模型。

图 2 显示了 5 位 ADC 的量化。有 2 ⁵ =32 级。由于输入可以是正负，这被称为双极性输入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 差异。

图 2.

图 2 中信号的峰值电压介于 +0.9375 伏 (FS+) 和 -1 伏 (FS-) 之间；这是±1伏特的一个很好的近似值。

射频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。由于这在过去让您的作者感到困惑，因此他选择了定义单位 dBpeakFS（信号相对满量程的电压峰值的 dB）和 dBrmsFS（信号的均方根值相对于满量程的 dB）。

另一个问题涉及到有人关心的 ADC 输出的带宽。对于 ADC 的早期音频应用，人们普遍关注完整的 Nyquist 带宽。

然而，对于如图 1(b) 所示的直接 RF 采样，只有信号占用的奈奎斯特频带部分以及一些保护频带是值得关注的。这导致您的作者定义了“有趣的带宽”，如图 3 所示。

“有趣的带宽”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稍宽一些。

图 3。

请注意，在图 3 中，虽然信号和“感兴趣的”带宽显示为相同，但两者的中心频率不同。这可能是由于我们的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地振荡器。 ADC 时钟的频率将表示为 fS。奈奎斯特频率 =FNyquist =fS/2。

选择用于实现模型的输入信号

为了表征 ADC 以创建一个好的模型，有必要定义一个有用的输入信号。大多数 ADC 规范是使用单个正弦波输入创建的。但是，由于它具有 0 Hz 带宽且没有包络变化，因此它看起来不是一个很好的信号。 2 音输入，如图 4 所示，具有超过 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在测试台上很容易生成。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] 中还提出了一种双音测试信号。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。

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在下一篇文章中，我们将讨论使用有效位数 (ENOB) 的 ADC 模型。

对于本系列的其余部分，请参阅下表的缩写词、术语表和参考文献。

使用的缩写

词汇表

芒森，贾斯汀； 《了解高速DAC测试与评估》； ADI公司应用笔记AN-928； 2013

Arrants，亚历克斯；布兰农，布拉德； ＆里德，罗布； “了解高速 ADC 测试和评估”；ADI 公司应用笔记 AN-835；2010 年

贝克，邦妮； “模数规范和性能特性词汇表”；德州仪器应用报告 SBAA147B； 2011年

马洛伯特，佛朗哥；数据转换器；斯普林格出版社；第 2 章：“数据转换器规范”；和 9：“D/A 和 A/D 转换器的测试”

Myderrizi，我； Zeki, A，“电流控制数模转换器：功能规范、设计基础和行为建模”，天线和传播杂志，IEEE，第 52 卷，第 4 期，第 197,208 页，2010 年 8 月；第 3 节“DAC 性能表征的功能规范”

参考文献

一般信息

[1] 布罗德斯基，韦斯利； “I和Q的合并和分离应该以数字方式还是以模拟方式完成？”； WesBrodsky 无线通信白皮书：WBWC.01； 2014

[2] 马洛贝蒂，佛朗哥；数据转换器；斯普林格出版社； 2007

[3] VanTrees, Harry L;检测、估计和调制理论，第三部分，雷达/声纳信号处理和噪声中的高斯信号；约翰威利父子； 1971. 附录：“带通信号、系统和过程的复杂表示”

ADC 分析、模型、仿真、测试和规格

[4] 金硕珍；埃尔基斯，R。 Peckerar, Martin，“卫星通信系统中高速模数转换器的设备验证测试”，仪器和测量，IEEE Transactions on ，vol.58，no.2，pp.270,280，2009 年 2 月

[5] 韦德拉尔，J.；费萨，P。 Svatos, J.，“使用 AM 和 FM 信号进行 ADC 测试”，仪器和测量技术会议 (I2MTC)，2010 年 IEEE，第 508,511 页，2010 年 5 月 3-6 日

[6] 凯斯特，沃尔特； “ADC 输入噪声的好、坏和丑陋方面——没有噪声就是好噪声吗？”； ADI 教程 MT-004； 2008

[7] Arrants，亚历克斯；布兰农，布拉德；里德，罗布； 《了解高速ADC测试与评估》； ADI公司应用笔记AN-835； 2010

[8] 凯斯特，沃尔特； “了解 SINAD、ENOB、SNR、THD、THD + N 和 SFDR，这样您就不会迷失在本底噪声中”；模拟设备教程 MT-003； 2008

[9] 品川，M.；赤泽由纪夫； Wakimoto, Tsutomu，“高速采样系统的抖动分析”，固态电路，IEEE 期刊，第 25 卷，第 1 期，第 220,224 页，1990 年 2 月

[10] 胡梅尔斯，D.M.；铁杆，F.H.；库克，R。 Papantonopoulos, I，“使用非迭代程序对 ADC 进行表征”，电路和系统，1994 年。ISCAS '94.，1994 年 IEEE 国际研讨会，第 2 卷，编号，第 5、8 卷第 2、30 页1994年5月-2日

[11] de Mateo Garcia, J.C.； Armada, AG.，“带通 sigma-delta 调制对 OFDM 信号的影响”，消费电子，IEEE 交易，第 45 卷，第 2 期，第 318,326 页，1999 年 5 月

[12] Abuelma'atti、Muhammad Taher，“非单调性对 A/D 转换器互调性能的影响”，通信，IEEE 交易，第 33 卷，第 8 期，第 839,843 页，1985 年 8 月

[13] Traverso, P.A;米里，D.；帕西尼，G.； Filicori, F.，“基于修改后的 Volterra 系列的非线性动态 S/H-ADC 设备模型：识别程序和商业 CAD 工具实施”，仪器和测量，IEEE 交易，第 52 卷，第 4 页，第2003年8月11291135

[14] 弗拉兹，H.；比约塞尔，N.；肯尼，J.S.； Sperlich, R.，“使用动态积分非线性模型预测 ADC 中的谐波失真”，行为建模和仿真研讨会，2009 年。BMAS 2009。IEEE，pp.102,107，2009 年 9 月 17-18 日

[15] 凯斯特，沃尔特； “ADC 噪声系数——经常被误解和曲解的规范”；模拟设备教程 MT-006； 2014

[16] 布兰农，布拉德；麦克劳德，汤姆； “ADIsimADC 如何对 ADC 建模”； ADI公司应用笔记AN-737； 2009

[17] Dardari, D.，“OFDM 接收器中的联合剪辑和量化效应表征”，电路和系统 I：常规论文，IEEE 交易，第 53 卷，第 8 期，第 1741,1748 页，2006 年 8 月

[18] 拉夫拉多，佩德罗·米格尔；德卡瓦略，NB； Pedro, Jose Carlos，“非线性系统中信噪比和失真比退化的评估”，微波理论与技术，IEEE Transactions on，vol.52，no.3，pp.813,822，2004 年 3 月

[18A] 格雷，罗伯特 M.； “量化噪声谱”；信息论，IEEE Transactions on；卷。 36、6号； 1990 年 11 月；第 1220 至 1244 页。

DAC 分析、模型、仿真、测试和规格

[19] 威克纳，J.J.； Nianxiang Tan，“用于电信的 CMOS 数模转换器建模”，电路与系统 II：模拟和数字信号处理，IEEE 汇刊，第 46 卷，第 5 期，第 489,499 页，1999 年 5 月

[20] Angrisani, L.； D'Arco, M.，“模拟数模转换器中的时序抖动效应”，仪器和测量，IEEE 交易，第 58 卷，第 2 期，第 330,336 页，2009 年 2 月

[21] 达普佐，M.；达科，M.；利卡尔多，A； Vadursi, M.，“模拟 DAC 输出波形”，仪器和测量，IEEE Transactions on，第 59 卷，第 11 期，第 2854,2862 页，2010 年 11 月

[22] Myderrizi，我； Zeki, A，“电流控制数模转换器：功能规范、设计基础和行为建模”，天线和传播杂志，IEEE，第 52 卷，第 4 期，第 197,208 页，2010 年 8 月

[23]李相敏；塔利，S.M.；萨里帕利，G.R.； Dongwon Seo，“基带无线发射器 DAC 的时钟相位噪声引起的 TX 泄漏估计”，电路和系统 II：Express Briefs，IEEE Transactions on ，vol.59，no.5，pp.277,281，2012 年 5 月

[24] Naoues, M.;莫什，D.；德霍斯，C.；巴拉克，R.； Ghazel, A，“用于 WirelessHD 系统规范的新型行为 DAC 建模技术”，电子、电路和系统，2009 年。ICECS 2009。第 16 届 IEEE 国际会议，第 543,546 页，2009 年 12 月 13-16 日

[25] 裴基泰；张永信; Powers, E.J.，“存在非线性时选择映射的 OFDM 系统性能分析”，无线通信，IEEE 交易，第 12 卷，第 5 期，第 2314,2322 页，2013 年 5 月

[26] Ling, W.A, "Shaping Quantization Noise and Clipping Distortion in Direct-Detection Discrete Multitone," Lightwave Technology, Journal of, vol.32, no.9, pp.1750,1758, May1, 2014

[27] 恩格尔，G.；法格，D.E.； Toledano, A，“RF 数模转换器实现通信信号的直接合成”，通信杂志，IEEE，第 50 卷，第 10 期，第 108,116 页，2012 年 10 月

[28] 皮尔逊，克里斯； “高速数模转换器基础知识”；德州仪器应用报告 SLAA523A； 2012

[29] 芒森，贾斯汀； 《了解高速DAC测试与评估》； ADI公司应用笔记AN-928； 2013