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数据转换器建模助力精准系统仿真

数据转换器建模助力精准系统仿真

工程师常面临紧张设计进度,几无时间回答数据转换器性能关键问题。本系列解答这些问题,始于探索如何为系统级仿真建模模数转换器 (ADC) 和数模转换器 (DAC)。

前作中作者考察 I/Q 组合应数字还是模拟实现,并概述稳健通信链路性能要求。本文在该基础上探讨如何量化和建模直采射频采样架构中 DAC 和 ADC 关键参数。

直采射频调制与解调

图 1 演示两种常见拓扑:直采射频 DAC 转换调制和直采射频 ADC 转换解调。DAC 和 ADC 统称数据转换器。

数据转换器建模助力精准系统仿真

图 1(a). 调制器

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图 1(b). 解调器

虽数据转换器非理想性链路级影响有充分文档,但此配置下 DAC 和 ADC 具体质量要求在文献中仍探索不足。

为何仿真数据转换器?

误码率 (BER) 研究需统计意义结果,典型要求数百至千错误事件。目标 BER 10⁻⁴ 需仿真 500 万比特数据。实现如此吞吐量需简洁而全面的转换器模型,捕获最有影响特征且无过大计算开销。

本文提出系统建模方法,分 ADC 为中心和 DAC 为中心两部分。注:Sigma-Delta 转换器本讨论排除。

模数转换器 (ADC) 模型

关键参考文献 ([4]–[18]) 覆盖高速 ADC 分析、建模、测试。特别是 [13]、[14]、[16]、[17] 等研究引入捕获非线性行为的高级模型。但许多工程师仍寻求更简单、更直观且忠实于真实性能的表示。

图 2 展示 5 位双极性 ADC 量化过程,有 32 个离散输出电平。峰值电压跨 +0.9375 V 至 –1.0 V,约 ±1 V。RF 工程师通常用均方根值;1 V 峰值正弦波均方根 0.707 V,相对满量程 –3 dB。为避免混淆,引入两单位:dBpeakFS 用于峰值-满量程比,dBrmsFS 用于均方根-满量程比。

数据转换器建模助力精准系统仿真

图 2.

带宽选择是另一关键考量。传统音频 ADC 关注全奈奎斯特带宽,但直采射频采样仅需信号占用部分加保护带。定义“关注带宽”为将由数字信号处理器 (DSP) 处理的区域。图 3 形象化此概念。

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图 3.

图中信号带宽和关注带宽宽度可能重合但中心频率不同,因带通采样中 ADC 时钟 (f_S) 作混频器本振。奈奎斯特频率 f_Nyquist = f_S/2。

选择模型开发输入信号

表征 ADC 需暴露其动态行为的测试信号。单音正弦波虽常见于数据手册,但零带宽、无幅度变化。双音输入(图 4)提供带宽和幅度调制,成硬件测试和仿真实用选择。许多厂商也提供双音激励性能数据。

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图 4.

文献也提出其他信号形状——高斯频谱、AM、FM ([4], [12])。商业测试套件少见但专用应用有价值。


本系列下文将介绍基于有效位数 (ENOB) 的 ADC 模型。在此之前,读者可参考下方缩写、术语表和参考文献。

使用缩写

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术语表

参考文献

物联网技术

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  2. 现代CAD/CAM系统选择投资战略指南
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