Передовые цифровые методы постобработки для высокоскоростных систем аналого-цифрового преобразования

Аналого-цифровое преобразование с временным чередованием нескольких АЦП, например, пары конвертеров для удвоения частоты дискретизации, в настоящее время стала зрелой концепцией построения сверхбыстродействующих систем обработки информации.

Введение

Все началось в 1980 году, когда Black и Hodges при проектировании 7-разрядного 4 МГц AЦП решили, что кристалл системы с временным чередованием каналов будет иметь меньший размер, чем сопоставимый по параметрам преобразователь с номинальной разрядностью. Новая концепция построения AЦП, определившая долгую жизнь такой структуры, обязана не только сокращением габаритных размеров кристалла, но и тем, что она предлагает концептуально простой метод увеличения скорости преобразования выпускаемых в настоящее время высокопроизводительных AЦП, например, 14 разрядного 105 Мвыб/с AD6645 или 12 разрядного 210 Мвыб/с AD9430.

В то время как скорость и разрешающая способность стандартных АЦП давным-давно преодолели барьер 4 МГц и 7 разрядов, системы аналого-цифрового преобразования с временным чередованием каналов, по хорошему счету, не продвинулись дальше 8-разрядной разрешающей способности. Однако, среди 8-разрядных высокоскоростных систем, эта структура достаточно широко распространена, особенно в испытательном и промышленном оборудовании, например, в широкополосных цифровых осциллографах. То, что она продолжает активно развиваться и использоваться, доказывает новый 8 разрядный 20 Гвыб/с АЦП, который был разработан Agilent Labs3 и применен компанией Agilent Technologies Infiniium в ее новейших осциллографах. Следует отметить, что хотя системы аналого-цифрового преобразования с временным чередованием каналов процветают в 8-разрядных системах, они практически не используются в тех случаях, когда требуется получение комбинации широкой полосы пропускания с высоким разрешением и неизменным динамическим диапазоном. Основным ограничительным фактором в 12- и 14-разрядных системах с временным чередованием каналов является требование очень точного согласования каналов. В двухканальной 8-разрядной системе для обеспечения рабочего динамического диапазона 50 дБ можно допустить несоответствие коэффициентов передачи каналов 0,25% и ошибку в расфазировке тактовых сигналов 5 пс. Такой уровень точности достигается традиционными методами, например, соответствующим размещением каналов на плате, использованием общих источников опорного напряжения, экранированием устройств и активной аналоговой подстройкой, но, при необходимости получения более высокой разрешающей способности, требования, предъявляемые к системе, становятся намного более строгими. Кстати сказать, до сих пор быстродействующие устройства, использующие специальные методы согласования для получения высокой разрешающей способности, были практически недоступны для широкого применения.

Краткий обзор систем аналого-цифрового преобразования с временным чередованием каналов

Системы аналого-цифрового преобразования с временным чередованием каналов и, соответственно, выборок используют несколько (m) AЦП, причем скорость преобразования каждого из них равна 1/m скорости всей системы. Последовательность синхронизации каждого из каналов организована таким образом, чтобы система в целом производила выборки сигнала через равноудаленные временные интервалы, создавая тем самым бесшовное соединение нескольких АЦП в единый преобразователь с осуществлением выборок на полной скорости всей системы. На рис. 1 показана блок-схема и расчетные диаграммы типичной четырехканальной системы аналого-цифрового преобразования с временным чередованием каналов. Каждый из четырех каналов работает на ¹/₄ номинальной скорости системы, раздельной на интервалы 90°. Конечный поток выходных данных создается чередованием всех выходных каналов данных «элементарных» АЦП в требуемой последовательности, например, 1, 2, 3, 4, 1, 2 и т. д. В двухканальной системе преобразователи работают на половинной скорости системы, а их синхронизация осуществляется в противофазе (сдвиг фаз между выборками «элементарных» АЦП составляет 180°).

В дальнейшем основное внимание будет уделено двухканальным системам, но в тех случаях, когда будет необходимо показать ключевые различия в работе более сложных систем, будут рассмотрены и четырехканальные системы. Таким образом, большинство блок-схем, математических выражений и технических решений будет относиться только к двухканальным системам, как к наиболее распространенным на практике.

Основные проблемы систем аналого-цифрового преобразования с временным чередованием каналов

Как уже было сказано выше, взаимное соответствие характеристик каналов напрямую влияет на рабочий динамический диапазон систем с временным чередованием каналов. Несоответствие характеристик каналов приводит к уменьшению рабочего динамического диапазона системы, что можно видеть на графике БПФ в виде паразитных частотных составляющих. Назовем их иголкой передачи и иголкой смещения. Иголка (и) передачи вызвана неравенством коэффициентов передачи «элементарных» АЦП и сдвигом фаз выборок. Разные коэффициенты передачи и фазовые сдвиги приводят к возникновению ошибок, векторы которых ортогональны друг к другу. Оба фактора вызывают появление паразитной частотной компоненты на одной и той же частоте (ах). Появление иголки смещения вызвано разными напряжениями смещения каналов. В отличие от иголки передачи, уровень иголки смещения не зависит от уровня входного сигнала. Для конкретного значения несоответствия напряжений смещения каналов иголка (и) смещения всегда будет иметь один и тот же уровень. Изучение поведения этих паразитных частотных составляющих привело к разработке математической методики, которая способна выявить прямую зависимость между характеристиками каналов, величинами соответствующих ошибок и рабочим динамическим диапазоном системы.

В то время как эта методика весьма точна и очень полезна для теоретического понимания функционирования системы с временным чередованием каналов, она сложна в понимании и анализе полученных результатов. Поэтому для оценки технических характеристик системы и инженерных расчетов предлагается применить простой метод оценки величин напряжений отдельных ошибок, не требующий глубокого изучения сложных математических построений. Этот метод основан на установлении зависимости между апертурным джиттером и уровнем отношения «сигнал — шум» АЦП. Напряжение ошибки определяется как разность между ожидаемым и фактическим напряжениями. Эти разность — суть большого количества разных ошибок, которые можно отнести к трем основным категориям:

• неравенство коэффициентов передачи (рис. 2);
• расфазировка тактовых сигналов (рис. 3);
• несоответствие напряжений смещения (рис. 4).

В двухканальной системе ошибка, вызванная неравенством коэффициентов передачи и расфазировкой тактовых сигналов, приводит к появлению иголки передачи, которая расположена левее частоты Найквиста на значение входной частоты. Несоответствие напряжений смещения АЦП вызывает появление иголки смещения, которая расположена точно на частоте Найквиста. Так как иголка смещения расположена на самом краю частотного диапазона, то при разработке двухканальных систем разработчики могут, задав их системную частоту ниже частоты Найквиста, сосредоточить основное внимание на согласовании коэффициентов передачи и на фазировке тактовых сигналов.

На рис. 5 показан типичный график БПФ двухканальной системы.

В отличие от двухканальной системы, в системе с чередованием четырех АЦП присутствуют три иголки передачи и две иголки смещения.

Иголки передачи расположены:

1. левее частоты Найквиста на частоту входного аналогового сигнала;
2. левее и правее половины частоты Найквиста на частоту входного аналогового сигнала.

Иголки смещения расположены точно на частоте Найквиста и на половине частоты Найквиста.

На рис. 6 показан типичный график БПФ системы с чередованием четырех АЦП.

Как только будут определены напряжения ошибок от каждой из трех вышеперечисленных групп в двухканальных системах для расчета значений иголок передач и смещения (ISgain, ISphase, IStotal, OSoffset), при однотоновом входном сигнале могут использоваться следующие уравнения:

где θ_epω_a×Δt_e (рад.), ω_a — входная аналоговая частота, температурный дрейф коэффициента передачи, Δt_e — перекос тактовых сигналов;

где Offset — сдвиг канал — канал (в разрядах).

Как было отмечено ранее, ошибки, вызванные неравенством коэффициентов передач и расфазировкой тактовых сигналов, ортогональны друг к другу, и для вычисления суммарной ошибки требуется применение правила «корень квадратный из суммы квадратов» индивидуальных вкладов каждой составляющей. Исходя из этих уравнений, может быть рассчитан бюджет погрешностей, используемый для определения требуемой точности согласования каналов, необходимой для обеспечения заданного динамического диапазона. Например, для обеспечения динамического диапазона, соответствующего 12-разрядной разрешающей способности (74 дБ) на входной частоте 180 МГц, необходимо добиться согласования коэффициентов передачи лучше, чем 0,02%, и согласования апертурных задержек лучше, чем 300 фс! Если коэффициенты передачи согласованы абсолютно точно, то требование к расфазировке тактовых сигналов может быть ослаблено до 350 фс. На рис. 7 показана кривая бюджета погрешностей 12-разрядной двухканальной системы при входной частоте 180 МГц.

В таблице приведены предельные точности соответствия каналов друг другу для разных случаев согласования, которые необходимо обеспечить в классических аналого-цифровых системах с временным чередованием каналов.

Традиционный подход к построению широкополосных систем аналого-цифрового преобразования с временным чередованием каналов

Традиционная, двухканальная система аналого-цифрового преобразования с временным чередованием каналов использует конфигурацию, показанную на рис. 8. Первый уровень согласования достигается сокращением физических и электрических несоответствий между каналами. Например, согласование коэффициентов передачи каналов достигается использованием общих источников опорного напряжения и тщательным согласованным размещением элементов на печатной плате. Согласование фаз производится с помощью ручной настройки ширины тактовых импульсов или задержкой входного аналогового сигнала в одном из каналов и с помощью специальных методов подстройки, которые управляют характеристиками схемы распределения тактовых импульсов (временами нарастания и спада, временем переключения и т. д.). Способ согласования смещений зависит от уровней смещения «элементарных» АЦП.

Многие из подходов согласования характеристик каналов основаны на тщательной разработке аналоговой части АЦП и применении специальных технологий подстройки. При изобилии идей, обеспечивающих жесткие требования согласования характеристик каналов, с целью достижения точного соответствия коэффициентов передачи и фаз выборок каналов, многие из них требуют введения в состав системы вспомогательных схем, которые, в свою очередь, являются источниками дополнительных ошибок, приводящих к краху оригинальной идеи. Дело в том, что любая схема, которая могла бы обеспечить требуемый уровень согласования, сама подвержена влиянию как напряжения источника питания, так и температуры, что отрражается на поведении каждого канала.

Цифровая постобработка

Развитие новых цифровых методов обработки сигналов, наряду с усовершенствованием недорогих высокоскоростных схем программируемой логики (FPGA, CPLD, ASIC и т. д.), открыло путь для крупных достижений в области построения аналого-цифровых преобразователей с временным чередованием каналов. Цифровые методы постобработки имеют несомненные преимущества перед классическими аналоговыми методами согласования. Они гибки в применении и могут быть использованы для систем с любой точностью независимо от разрешающей способности АЦП. Представление о том, как цифровые методы постобработки сигналов могут воздействовать на архитектуру системы с временным чередованием каналов, представлено на рис. 9. Система использует набор цифровых функциональных преобразователей, например подсистему калибровки коэффициентов передачи каналов, которая обрабатывает выходные данные каждого АЦП, создавая новый набор «калиброванных выходных данных». Эти преобразования, например калибровки, реализуются с использованием разнообразных цифровых фильтров (FIR, IIR и т. д.). Они могут быть столь же просты, как подстройка коэффициента передачи только одного канала, или столь же сложны, как одновременная подстройка коэффициентов передач, фаз выборок и смещений нескольких каналов в широкой полосе входных частот и значительном температурном диапазоне.

Согласование параметров каналов в широкой полосе частот при значительном диапазоне рабочих температур является одним из самых больших вызовов исскуству разработчика и дает возможность использовать цифровые методы постобработки для улучшения работы систем аналого-цифрового преобразователя с временным чередованием каналов. Математические построения, требуемые для разработки соответствующих технологий, например, одновременной калибровки нескольких АЦП, чрезвычайно сложны и не всегда широко доступны. Однако в эту область инвестировались значительные средства и были проведены серьезные научные исследования. В результате было разработано множество интересных решений. Одно из них, известное как промежуточный банк фильтров (Advanced Filter Bank — AFB), выделяется среди других своей способностью обеспечить удобную платформу для достижения существенного улучшения параметров систем при их серийном производстве.

Промежуточный банк фильтров (AFB)

Обеспечивая точное согласование коэффициентов передачи каналов, фаз и смещений в широкой полосе частот и в значительном температурном диапазоне, AFB в настоящее время является единственной доступной технологией создания высокоскоростных 12/14-разрядных АЦП с временным чередованием каналов. Помимо функций согласования каналов, AFB также обеспечивает линеаризацию фаз выборок и компенсацию неплоскостности коэффициента передачи системы аналого-цифрового преобразования. На рис. 10 показана базовая блок-схема системы, использующей AFB.

Используя уникальную мультискоростную структуру FIR-фильтра, AFB может быть легко реализована практически на любой цифровой программируемой логике, например, FPGA или CPLD. Коэффициенты FIR-фильтра рассчитываются с помощью патентованного метода, который начинается с решения уравнений, приведенных на рис. 9, а затем применяются разнообразные математические методы для реализации цифровой функции преобразования, например, калибровок каналов. AFB дает возможность системам аналого-цифрового преобразования с временным чередованием каналов использовать до 90% полосы Найквиста и может быть конфигурирована для работы в любой зоне Найквиста (например, в начале, в первой четверти, трети и т. д.). Соответствующая зона может быть выбрана с помощью набора логических входов, которые задают требуемые коэффициенты FIR-фильтра.

Практическое применение AFB

AD12400 — первый член нового семейства сверхбыстродействующих АЦП компании Analog Devices, в котором удалось существенно уменьшить время преобразования, используя чередование каналов и AFB. В дальнейшем его архитектура будет использоваться для иллюстрации возможностей объединения современных АЦП с технологиями цифровой постобработки. На рис. 11 показана блок-схема AD12400 и основные функции схемы. AD12400 использует уникальную аналоговую входную схему с полосой пропускания 400 МГц, два 12-разрядных 200 Mвыб/с АЦП и AFB, выполненную на основе усовершенствованной, программируемой в системе вентильной матрицы (FPGA). Микросхема была разработана с использованием большинства классических методов согласования, рассмотренных выше, совместно со схемой синхронизации, имеющей очень малый джиттер. Эти основные компоненты были собраны на одной подложке для реализации 12-разрядного 400 Mвыб/с модуля аналого-цифрового преобразователя, который использует более 90% полосы Найквиста и имеет рабочую температуру до 85 °C.

Во время производственного процесса экспериментально снимаются все функциональные характеристики «элементарных» АЦП во всей полосе пропускания и во всем температурном диапазоне. Далее эти данные используются для расчета коэффициенов взвешенных функций преобразования.

После получения характеристик «элементарных» АЦП и расчета соответствующих коэффициентов FIR-фильтра, программируется FPGA, и изделие готово к работе. Согласование характеристик каналов в широкой полосе частот достигнуто с помощью специальной структуры FIR-фильтров AFB и соответствующим расчетом их коэффициентов. Работа в широком температурном диапазоне обеспечивается выбором одного из наборов коэффициентов FIR-фильтра, в соответствии с показаниями встроенного температурного датчика.

Результаты применения этой технологии приведены на рис. 12 и 13. На рис. 12 приведено положение иголки передачи в первой зоне Найквиста этой системы. Первая кривая показывает результат работы двухканальной системы, которая была тщательно разведена для обеспечения оптимального соответствия в физическом размещении каналов. Поведение иголки передачи на этой кривой с очевидностью показывает, что частотная характеристика этой системы была искусственно срезана на частоте 128 МГц. Подобное же рассмотрение рис. 13 показывает, что система была отрегулирована на температуре 40 °C.

Несмотря на оптимальное размещение элементов на подложке, хорошо согласованную входную схему, тщательно согласованную схему синхронизации и общий источник опорного напряжения, динамический диапазон используемых в AD12400 АЦП ухудшается очень быстро, как только частота или температура отклоняется от условий калибровки. Этот эффект присущ любой системе аналого-цифрового преобразования с временным чередованием каналов. Одним из факторов, влияющих на работу этой структуры, может быть температурный дрейф коэффициента передачи. Например, температурный дрейф коэффициента передачи типичного высокоэффективного 12-разрядного АЦП может составлять 0,02%/°C. В этом случае изменение температуры на 10 °C вызвало бы изменение коэффициента передачи на 0,2%, приводя к появлению иголки передачи величиной 60 дБ (см. рис. 1). Считая, что присутствует единственный возмущающий фактор, величина иголки передачи на характеристике аналого-цифрового преобразователя без ABF будет на 3 дБ хуже, чем при работе с ABF и при изменении температуры на 30 °C (рис. 13). По контрасту, рабочий динамический диапазон остается практически неизменным, когда допускается AFB-компенсация. Фактически, рабочий динамический диапазон превосходит уровень 12 разрядов во всей полосе пропускания (почти 190 МГц) и в температурном диапазоне 40 °C. Другое существенное преимущество этого подхода состоит в том, что температурный диапазон может быть фактически расширен от 20–60 °C до 0–85 °C, используя дополнительные наборы коэффициентов FIR, воплощенные в AD12400.

Заключение

Разработка систем с временным чередованием нескольких АЦП становится в последнее время явной тенденцией построения высокоскоростных аналого-цифровых преобразователей. Цифровые методы постобработки, такие, как AFB, обеспечивают удовлетворение жестких требований согласования каналов при высоких уровнях разрешающей способности, которые ранее не были достижимы в таких системах. Объединение технологии AFB с лучшими АЦП позволяет высокоскоростным системам перейти к следующему уровню точности при сохранении высокой скорости обработки и улучшить параметры изделий и систем в соответствии с требованиями рынка, например, в области систем отображения информации, цифровых систем связи и измерительных систем. Эта технология приведет в ближайшем будущем к крупным достижениям в области создания все более высокоскоростных аналого-цифровых преобразователей, включая 14-разрядные 400 Mвыб/с и 12-разрядные 800 Mвыб/с.