АЦП с временным чередованием

АЦП с временным чередованием (TI) представляют собой аналого-цифровые преобразователи (АЦП), в которых используются преобразователи M , работающие параллельно. ^{[ 1 ]} Каждый из преобразователей М в литературе называется суб-АЦП, каналом или срезом. Метод временного перемежения, аналогичный многопоточности в вычислениях, предполагает параллельное использование нескольких преобразователей для выборки входного сигнала через шахматные интервалы, что увеличивает общую частоту дискретизации и улучшает производительность без перегрузки отдельных АЦП.

История

Ранняя концепция

Идея временного чередования восходит к 1960-м годам. Одно из первых упоминаний об использовании нескольких АЦП для увеличения частоты дискретизации появилось в работах Бернарда М. Оливера и Клода Э. Шеннона . Их новаторская работа по теории коммуникации и выборке заложила основу для теоретической основы чередования времени. Однако практическое внедрение было ограничено технологиями того времени.

Разработка

В 1980-х годах были достигнуты значительные успехи: У. К. Блэк и Д. А. Ходжес из Университета Беркли успешно реализовали первый прототип АЦП с чередованием времени. В частности, они разработали четырехканальный преобразователь с чередованием сигналов, работающий со скоростью 2,5 млн отсчетов/с. Каждый срез преобразователя представлял собой 7-ступенчатый конвейерный АЦП SAR, работающий на частоте 625 тыс. отсчетов/с. кГц . Для предложенного преобразователя измерен ENOB, равный 6,2, при частоте зондирующего входного сигнала 100 Работа была представлена на ISSCC 1980, и документ был сосредоточен на практических проблемах внедрения АЦП TI, включая синхронизацию и калибровку нескольких каналов для уменьшения несоответствий. ^{[ 2 ]}

В 1987 году Кен Поултон и другие исследователи из лаборатории HP разработали первый продукт на основе АЦП с чередованием времени: цифровой осциллограф HP 54111D. ^{[ 2 ]}

Коммерциализация

В 1990-х годах технология TI ADC получила дальнейшее развитие, вызванное растущим спросом на высокоскоростное преобразование данных в телекоммуникациях и других областях. высокоскоростных АЦП для цифровых осциллографов Заметным проектом этого периода стала разработка компанией Tektronix . Инженеры Tektronix внедрили АЦП TI для достижения высоких частот дискретизации, необходимых для регистрации быстрых переходных сигналов в испытательном и измерительном оборудовании. В результате этой работы в 1991 году был коммерциализирован Tektronix TDS350, двухканальный цифровой накопитель с частотой 200 МГц и частотой 1 Гвыб./с. ^{[ 2 ]}

Широкое распространение

К концу 1990-х годов АЦП TI стали коммерчески жизнеспособными. Одним из ключевых проектов, продемонстрировавших потенциал АЦП TI, стала разработка стандарта GSM (Глобальная система мобильной связи) , где высокоскоростные АЦП были необходимы для цифровой обработки сигналов в мобильных телефонах. Такие компании, как Analog Devices и Texas Instruments, начали предлагать АЦП TI в качестве стандартной продукции, что обеспечивает широкое внедрение в различных приложениях. ^{[ 2 ]}

Настоящее время

В 21 веке продолжались инновации в технологии АЦП TI. Исследователи и инженеры сосредоточились на дальнейшем повышении производительности и интеграции АЦП TI для удовлетворения растущих потребностей цифровых систем. Ключевыми фигурами этой эпохи являются Борис Мурманн и его коллеги из Стэнфордского университета , которые внесли свой вклад в разработку передовых методов калибровки и методов проектирования маломощных АЦП TI.

Перспективы на будущее

Сегодня АЦП TI используются в широком спектре приложений: от телекоммуникаций 5G до медицинских изображений высокого разрешения. Будущее АЦП TI выглядит многообещающим: текущие исследования направлены на дальнейшее улучшение их производительности и расширение областей их применения. Новые технологии, такие как автономные транспортные средства , передовые радиолокационные системы и обработка сигналов на базе искусственного интеллекта , будут и дальше стимулировать спрос на высокоскоростные АЦП с высоким разрешением.

Принцип работы

В системе с временным чередованием время преобразования, необходимое для каждого суб-АЦП, равно $T_{\mathrm {c} }$ . Если выходы нескольких каналов правильно объединены, всю систему можно рассматривать как один преобразователь, работающий с периодом выборки, равным $T_{\mathrm {s} }={T_{\mathrm {c} }}/{M}$ , где $M$ представляет количество каналов или суб-АЦП в системе TI.

Чтобы проиллюстрировать эту концепцию, давайте углубимся в процесс преобразования АЦП TI со ссылкой на первый рисунок этого параграфа. На рисунке показана временная диаграмма преобразователя данных, использующего четыре чередующихся канала. Входной сигнал $V_{\mathrm {in} }$ (изображена синей формой волны) представляет собой синусоидальную волну с частотой $f_{\mathrm {in} }={f_{\mathrm {clk} }}/{2}$ . Здесь, $f_{\mathrm {clk} }$ тактовая частота, которая является обратной величиной $T_{\mathrm {s} }$ , общий период выборки АЦП TI. Это соотношение согласуется с теоремой выборки Шеннона-Найквиста , которая гласит, что частота дискретизации должна быть как минимум в два раза выше самой высокой частоты, присутствующей во входном сигнале, чтобы точно восстановить сигнал без наложений. ^{[ 3 ]}

В АЦП TI каждый $T_{\mathrm {s} }$ , один из каналов получает выборку входного сигнала. Операция преобразования, выполняемая каждым суб-АЦП, занимает $T_{\mathrm {c} }$ секунд, и после преобразования цифровой мультиплексор последовательно выбирает выходной сигнал одного из $M$ суб-АЦП. Этот выбор происходит в определенном порядке, обычно от первого суб-АЦП до второго. $M^{\text{th}}$ суб-АЦП, а затем цикл повторяется. ^{[ 1 ]}

В любой момент каждый канал занимается преобразованием разных семплов. Следовательно, совокупная скорость передачи данных системы в два раза выше, чем скорость передачи данных одного суб-АЦП. $M$ . Это связано с тем, что система TI по существу распараллеливает процесс преобразования на нескольких суб-АЦП. Фактор $M$ , представляющий количество чередующихся каналов, таким образом, представляет собой увеличение общей частоты дискретизации всей системы. ^{[ 1 ]}

В заключение отметим, что метод временного перемежения эффективно увеличивает скорость преобразования каждого суб-АЦП на $M$ раз. В результате, хотя каждый суб-АЦП работает относительно медленно, совокупный выходной сигнал системы TI характеризуется более высокой частотой дискретизации. Таким образом, временное чередование является мощным методом проектирования и реализации преобразователей данных, поскольку оно позволяет создавать высокоскоростные АЦП с использованием компонентов, которые по отдельности имеют гораздо более низкую производительность с точки зрения скорости.

Возможные архитектуры

Возможны две архитектуры для реализации АЦП с временным чередованием. ^{[ 4 ]} Первая архитектура изображена на первом рисунке параграфа и характеризуется наличием единой схемы выборки и хранения (S&H) для всей структуры. Сэмплер работает на частоте $f_{\mathrm {s} }={T_{\mathrm {s} }}^{-1}$ и получает выборки для всех каналов АЦП TI. После получения выборки аналоговый демультиплексор передает ее соответствующему суб-АЦП. Такой подход централизует процесс отбора проб, обеспечивая единообразие полученных образцов. Однако это накладывает строгие требования к скорости схемы S&H, поскольку она должна работать с полной частотой дискретизации системы АЦП.

Напротив, вторая архитектура, показанная на втором рисунке параграфа, использует разные схемы S&H для каждого канала, каждая из которых работает на пониженной частоте. $({M\cdot T_{\mathrm {s} }})^{-1}$ , где $M$ это еще раз количество чередующихся каналов. Это решение значительно снижает требования к скорости для каждой схемы S&H, поскольку им необходимо работать лишь с небольшой частью общей частоты дискретизации. Такой подход смягчает проблему высокоскоростной работы первой архитектуры. Однако это преимущество имеет свои недостатки, а именно увеличение занимаемой площади и более высокое рассеивание мощности из-за дополнительных схем, необходимых для реализации нескольких цепей S&H.

Преимущества и компромиссы двух архитектур

Выбор между этими двумя архитектурами зависит от конкретных требований и ограничений приложения. Архитектура с одной цепью S&H предлагает компактное решение с потенциально низким энергопотреблением, поскольку устраняет избыточность нескольких цепей S&H. Централизованная выборка также может уменьшить несоответствия между каналами, поскольку все выборки берутся из одного источника. Однако требования к высокой скорости одиночной схемы S&H могут стать серьезной проблемой, особенно при очень высоких частотах дискретизации, когда для достижения необходимой производительности могут потребоваться более совершенные и дорогостоящие технологии. ^{[ 4 ]}

С другой стороны, архитектура нескольких схем S&H распределяет нагрузку выборки, позволяя каждой схеме S&H работать на более низкой скорости. Это может быть выгодно в приложениях, где реализация высокоскоростных цепей сложна или дорога. Кроме того, эта архитектура может обеспечить повышенную гибкость в управлении синхронизацией и несоответствием усиления между каналами. Каждую схему S&H можно независимо оптимизировать для конкретных условий эксплуатации, что потенциально может привести к повышению общей производительности. Компромиссы включают увеличение занимаемой площади интегральной схемы и повышенное энергопотребление, что может быть критическим фактором в приложениях, чувствительных к энергопотреблению или в приложениях с ограниченным пространством. ^{[ 4 ]}

В практических реализациях на выбор между этими архитектурами влияет несколько факторов, включая требуемую частоту дискретизации, бюджет мощности, доступную площадь полупроводникового кристалла и приемлемый уровень сложности калибровки и исправления ошибок. Например, в системах высокоскоростной связи может быть предпочтительнее архитектура с одной цепью S&H, несмотря на ее строгие требования к скорости, из-за ее компактной конструкции и потенциально более низкого энергопотребления. И наоборот, в приложениях, где мощность не так важна, но достижение сверхвысоких скоростей затруднено, архитектура с несколькими схемами S&H может оказаться более подходящей.

Источники ошибок

В идеале все суб-АЦП идентичны. Однако на практике они немного отличаются из-за изменений процесса, напряжения и температуры (PVT). Если не принять меры, несоответствия суб-АЦП могут поставить под угрозу производительность АЦП TI, поскольку они проявляются в выходном спектре в виде спектральных тонов. ^{[ 5 ]}

Несовпадения смещений (т. е. различные смещения, относящиеся к входу для каждого суб-АЦП) накладываются на преобразованный сигнал как последовательность периодов. $M\cdot T_{\mathrm {s} }$ , влияющие на выходной спектр АЦП паразитными тонами, мощность которых зависит от величины смещений, расположенных на частотах $f=({k}/{M})\cdot f_{\mathrm {s} }$ , где M представляет количество каналов, а k — произвольное целое число из $0$ к $M-1$ . ^{[ 5 ]}

Ошибки усиления влияют на амплитуду преобразованного сигнала и передаются на выход в виде амплитудной модуляции (АМ) входного сигнала с последовательностью периодов. $M\cdot T_{\mathrm {s} }$ . Фактически этот механизм вносит паразитные гармоники на частотах $f=\pm f_{\mathrm {in} }+({k}/{M})\cdot f_{\mathrm {s} }$ , мощность которого зависит как от амплитуды входного сигнала, так и от величины последовательности ошибок усиления. ^{[ 5 ]}

Наконец, несоответствия возникают из-за того, что каналы синхронизируются по разным фазам одного и того же тактового сигнала. Если один тактовый сигнал смещен по отношению к другим, в выходном спектре будут генерироваться паразитные гармоники. Можно продемонстрировать, что эти шпоры расположены на частотах $f=\pm f_{\mathrm {in} }+({k}/{M})\cdot f_{\mathrm {s} }$ . При этом их мощность зависит как от величины перекоса между фазами управления, так и от значения частоты входного сигнала. ^{[ 5 ]}

Несоответствие каналов в АЦП TI может серьезно ухудшить его динамический диапазон без побочных эффектов (SFDR) и соотношение сигнал/шум и искажения (SNDR) . Чтобы восстановить спектральную чистоту преобразователя, проверенное решение состоит в компенсации этих неидеальности с помощью цифровых коррекций. Несмотря на возможность восстановления общей спектральной чистоты путем подавления выбросов несоответствия, цифровая калибровка может значительно увеличить общее энергопотребление приемника и может оказаться не столь эффективной, когда входной сигнал является широкополосным. По этой причине необходимо активно исследовать методы обеспечения более высокой стабильности и удобства использования в реальных случаях. ^{[ 5 ]}

Типичные применения

Телекоммуникации

По мере развития систем сотовой связи производительность приемников становится все более требовательной. Например, полоса пропускания канала, предлагаемая сетью 4G, может достигать 20 МГц, тогда как в текущей сети 5G NR она может варьироваться от 400 МГц до 1 ГГц . ^{[ 6 ]} Кроме того, сложность модуляции сигнала также увеличилась с 64-QAM в 4G до 256-QAM в 5G NR.

Ужесточение требований налагает новые задачи на проектирование современных приемников, производительность которых зависит от аналого-цифрового интерфейса, обеспечиваемого АЦП. В приемниках 4G преобразование данных выполняется дельта-сигма-модуляторами (DSM) . ^{[ 7 ]} поскольку их легко переконфигурировать: достаточно изменить коэффициент передискретизации (OSR) , порядок цикла или разрешение квантователя , чтобы настроить полосу пропускания преобразователя данных в соответствии с потребностями. ^{[ 7 ]} Это желательная особенность АЦП в приемниках, поддерживающих несколько стандартов беспроводной связи.

Вместо этого в приемниках 5G DSM не являются предпочтительным выбором: полоса пропускания приемника должна быть выше нескольких сотен МГц, тогда как полоса пропускания сигнала $(f_{\mathrm {b} })$ DSM составляет лишь часть половины частоты дискретизации. $(f_{\mathrm {s} })$ . С математической точки зрения, $f_{\mathrm {b} }\leq {f_{\mathrm {s} }}/({2\cdot {\mathit {OSR}}})$ . Таким образом, на практике трудно, если не невозможно, достичь требуемой частоты дискретизации с помощью DSM. По этой причине приемники 5G обычно полагаются на АЦП Найквиста, у которых полоса пропускания сигнала может достигать ${f_{\mathrm {s} }}/{2}$ , согласно теореме выборки Шеннона-Найквиста.

АЦП, используемые в приемниках 5G, требуют не только высокой частоты дискретизации для работы с большой полосой пропускания канала, но и разумного количества бит. Преобразователю данных необходимо высокое разрешение, чтобы можно было использовать схемы модуляции высокого порядка, которые необходимы для достижения высокой пропускной способности при эффективном использовании полосы пропускания. Разрешение преобразователя данных определяется как минимальное значение напряжения, которое он может разрешить, т. е. его младший значащий бит (LSB) . Последний параметр зависит от количества физических бит ( N ) преобразователя как ${\mathit {LSB}}={\mathit {FSR}}/{2^{N}}$ (где FSR — полный диапазон АЦП). Следовательно, чем больше число уровней, тем точнее будет преобразование. Однако на практике шум (например, джиттер и тепловой шум ) накладывает фундаментальное ограничение на достижимое разрешение, которое ниже физического числа бит и обычно выражается в терминах ENOB (эквивалентное количество битов) .

Обычно для приемников 5G предпочтительным выбором являются АЦП с ENOB 12 бит и полосой пропускания до ГГц. ^{[ 6 ]} Для этого приложения часто используются АЦП с временным чередованием, поскольку они способны удовлетворить вышеупомянутые требования. Фактически, АЦП TI используют несколько каналов АЦП, работающих параллельно, и этот метод эффективно увеличивает общую частоту дискретизации, позволяя приемнику обрабатывать широкую полосу пропускания, необходимую для сети 5G.

Прямая радиочастотная выборка

Приемник является одним из важнейших компонентов системы связи . В частности, приемник отвечает за преобразование радиосигналов в цифровые слова, чтобы обеспечить дальнейшую обработку сигнала электронными устройствами. Обычно приемник включает в себя антенну предварительного выбора , фильтр , малошумящий усилитель (МШУ) , смеситель , гетеродин , фильтр промежуточной частоты (ПЧ), демодулятор и аналого-цифровой преобразователь.

Антенна — это первый компонент приемной системы; он улавливает электромагнитные волны из воздуха и преобразует эти радиоволны в электрические сигналы. Эти сигналы затем фильтруются преселектором, который гарантирует, что только желаемый диапазон частот из сигналов, захваченных антенной, будет передан на следующие этапы приемника. Затем сигнал усиливается LNA. Действие усиления гарантирует, что сигнал будет достаточно сильным для эффективной обработки последующими каскадами системы. Затем усиленный сигнал смешивается со стабильным сигналом гетеродина для получения сигнала промежуточной частоты (ПЧ). Этот процесс, известный как гетеродинирование , сдвигает частоту принимаемого сигнала к более низкой и более управляемой ПЧ. Сигнал ПЧ подвергается дальнейшей фильтрации для удаления оставшихся нежелательных сигналов и шума. Наконец, демодулятор извлекает исходный информационный сигнал из модулированной несущей волны. Точнее, демодулятор преобразует сигнал ПЧ обратно в сигнал основной полосы частот, который содержит передаваемую информацию. В зависимости от типа используемой модуляции могут использоваться различные методы демодуляции (например, амплитудная модуляция (AM) , частотная модуляция (FM) или фазовая модуляция (PM) ). На последнем этапе АЦП преобразует непрерывный аналоговый сигнал в дискретный цифровой сигнал, который может обрабатываться процессорами цифровых сигналов (DSP) или микроконтроллерами . Этот шаг имеет решающее значение для реализации передовых методов цифровой обработки сигналов.

Для дальнейшего повышения энергоэффективности и стоимости приемника возникает парадигма прямой радиочастотной выборки. Согласно этому методу аналоговый сигнал на радиочастоте просто подается на АЦП, полностью исключая преобразование с понижением частоты на промежуточную частоту. ^{[ 8 ]}

Прямая радиочастотная выборка имеет значительные преимущества с точки зрения конструкции и производительности системы. За счет исключения этапа понижающего преобразования снижается сложность конструкции, что приводит к снижению энергопотребления и стоимости. Кроме того, отсутствие смесителя и гетеродина означает, что меньше компонентов, которые могут вносить шум и искажения, потенциально улучшая соотношение сигнал/шум (SNR) и линейность приемника. ^{[ 8 ]}

Однако непосредственная выборка радиочастотного сигнала налагает строгие требования к характеристикам АЦП. Полоса пропускания сигнала АЦП в приемнике должна составлять несколько ГГц для прямой обработки высокочастотных сигналов. Достичь таких высоких значений с помощью одного АЦП сложно из-за ограничений по скорости, энергопотреблению и разрешению. ^{[ 8 ]}

Для удовлетворения этих жестких требований обычно используются системы АЦП с временным чередованием. Фактически, в АЦП TI используются несколько более медленных суб-АЦП, работающих параллельно, каждый из которых осуществляет выборку входного сигнала в разные интервалы времени. За счет чередования процесса выборки эффективная частота дискретизации всей системы увеличивается, что позволяет ей обрабатывать широкую полосу пропускания, необходимую для прямой радиочастотной выборки.

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с Манганаро, Габриэле. Расширенные преобразователи данных . Издательство Кембриджского университета. стр. 108–113.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Поултон, Кен. «АЦП с чередованием на протяжении веков» (PDF) .
^ Шеннон, CE (1948). «Математическая теория связи» . Технический журнал Bell System . 27 (3): 379–423. дои : 10.1002/j.1538-7305.1948.tb01338.x .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Малоберти, Франко (2007). Конвертеры данных . Спрингер Нью-Йорк. стр. 174–177.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Куросава, Наоки (март 2001 г.). «Явный анализ эффектов несоответствия каналов в системах АЦП с чередованием времени» . Транзакции IEEE в схемах и системах I. 48 (3): 261–271. дои : 10.1109/81.915383 .
^ Jump up to: ^а ^б Хо, Имин; и др. (2017). «Пользовательское сотовое оборудование 5G: от теории к практическому проектированию оборудования» . Доступ IEEE . 5 : 13992. arXiv : 1704.02540 . Бибкод : 2017IEEA...513992H . дои : 10.1109/ACCESS.2017.2727550 .
^ Jump up to: ^а ^б Гилен, Г.; и др. (2005). «Реконфигурируемые внешние архитектуры и аналого-цифровые преобразователи для гибких беспроводных трансиверов для радиостанций 4G» . 2005 г. 7-й симпозиум CAS IEEE по новым технологиям: схемы и системы для мобильной беспроводной связи 4G . стр. 13–18. дои : 10.1109/EMRTW.2005.195670 . ISBN 5-7422-0895-2 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Псиаки, МЛ; и др. (2005). «Проектирование и практическая реализация многочастотных радиочастотных входных каскадов с использованием прямой радиочастотной выборки» . Транзакции IEEE по теории и технике микроволнового излучения . 53 (10): 3082. Бибкод : 2005ITMTT..53.3082P . дои : 10.1109/TMTT.2005.855127 .

[manga-1] Jump up to: ^а ^б ^с Манганаро, Габриэле. Расширенные преобразователи данных . Издательство Кембриджского университета. стр. 108–113.

[:2-2] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Поултон, Кен. «АЦП с чередованием на протяжении веков» (PDF) .

[3] Шеннон, CE (1948). «Математическая теория связи» . Технический журнал Bell System . 27 (3): 379–423. дои : 10.1002/j.1538-7305.1948.tb01338.x .

[:3-4] Jump up to: ^а ^б ^с Малоберти, Франко (2007). Конвертеры данных . Спрингер Нью-Йорк. стр. 174–177.

[:4-5] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Куросава, Наоки (март 2001 г.). «Явный анализ эффектов несоответствия каналов в системах АЦП с чередованием времени» . Транзакции IEEE в схемах и системах I. 48 (3): 261–271. дои : 10.1109/81.915383 .

[:0-6] Jump up to: ^а ^б Хо, Имин; и др. (2017). «Пользовательское сотовое оборудование 5G: от теории к практическому проектированию оборудования» . Доступ IEEE . 5 : 13992. arXiv : 1704.02540 . Бибкод : 2017IEEA...513992H . дои : 10.1109/ACCESS.2017.2727550 .

[:1-7] Jump up to: ^а ^б Гилен, Г.; и др. (2005). «Реконфигурируемые внешние архитектуры и аналого-цифровые преобразователи для гибких беспроводных трансиверов для радиостанций 4G» . 2005 г. 7-й симпозиум CAS IEEE по новым технологиям: схемы и системы для мобильной беспроводной связи 4G . стр. 13–18. дои : 10.1109/EMRTW.2005.195670 . ISBN 5-7422-0895-2 .

[:5-8] Jump up to: ^а ^б ^с Псиаки, МЛ; и др. (2005). «Проектирование и практическая реализация многочастотных радиочастотных входных каскадов с использованием прямой радиочастотной выборки» . Транзакции IEEE по теории и технике микроволнового излучения . 53 (10): 3082. Бибкод : 2005ITMTT..53.3082P . дои : 10.1109/TMTT.2005.855127 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]