АЦП с временным чередованием

АЦП с временным чередованием (TI) — это аналого-цифровые преобразователи (АЦП), в которых параллельно работают М преобразователей. ^[1] В литературе каждый из М преобразователей называется суб-АЦП, каналом или срезом. Метод временного чередования, родственный многопоточности в вычислениях, подразумевает параллельное использование нескольких преобразователей для выборки входного сигнала с разнесенными интервалами, что увеличивает общую частоту выборки и улучшает производительность без перегрузки отдельных АЦП.

История

Ранняя концепция

Концепция временного перемежения восходит к 1960-м годам. Одно из самых ранних упоминаний об использовании нескольких АЦП для увеличения частоты дискретизации появилось в работе Бернарда М. Оливера и Клода Э. Шеннона . Их пионерская работа по теории связи и дискретизации заложила основу для теоретической основы временного перемежения. Однако практическая реализация была ограничена технологиями того времени.

Разработка

В 1980-х годах были достигнуты значительные успехи: WC Black и DA Hodges из Университета Беркли успешно реализовали первый прототип АЦП с временным чередованием. В частности, они разработали 4-канальный преобразователь с чередованием, работающий на скорости 2,5 Мвыб/с. Каждый срез преобразователя представлял собой 7-ступенчатый конвейерный АЦП SAR, работающий на скорости 625 квыб/с. Эффективное число бит (ENOB), равное 6,2, было измерено для предлагаемого преобразователя с зондирующим входным сигналом на частоте 100 кГц. Работа была представлена на ISSCC 1980, и статья была сосредоточена 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 HP Labs разработали первый продукт на основе АЦП с временным чередованием: цифровой осциллограф HP 54111D. ^[2]

Коммерциализация

В 1990-х годах технология АЦП TI получила дальнейшее развитие, обусловленное растущим спросом на высокоскоростное преобразование данных в телекоммуникациях и других областях. Значимым проектом в этот период стала разработка высокоскоростных АЦП для цифровых осциллографов компанией Tektronix . Инженеры Tektronix внедрили АЦП TI для достижения высоких частот дискретизации, необходимых для захвата быстрых переходных сигналов в испытательном и измерительном оборудовании. В результате этой работы в 1991 году был выпущен в продажу двухканальный цифровой осциллограф Tektronix TDS350 с частотой дискретизации 200 МГц и скоростью дискретизации 1 Гвыб./с. ^[2]

Широкое принятие

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 стандартных продуктов, что позволило широко внедрить их в различных приложениях. ^[2]

Настоящее время

В 21 веке наблюдалось постоянное развитие технологий АЦП TI. Исследователи и инженеры сосредоточились на дальнейшем улучшении 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 вклад в разработку передовых методов калибровки и маломощных методов проектирования АЦП TI.

Перспективы на будущее

Сегодня АЦП TI используются в широком спектре приложений: от телекоммуникаций 5G до медицинской визуализации высокого разрешения. Будущее АЦП TI выглядит многообещающим, поскольку 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 основе искусственного интеллекта , продолжат стимулировать спрос на высокоскоростные АЦП высокого разрешения.

Принцип работы

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

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, который использует четыре чередующихся канала. Входной сигнал (изображенный синим цветом) представляет собой синусоидальную волну с частотой . Здесь — тактовая частота, которая является обратной величиной , общего периода дискретизации АЦП TI. Это соотношение согласуется с теоремой Шеннона-Найквиста о дискретизации , которая гласит, что частота дискретизации должна быть как минимум вдвое больше самой высокой частоты, присутствующей во входном сигнале, чтобы точно восстановить сигнал без наложения спектров. ^[3] $V_{\mathrm {in} }$ $f_{\mathrm {in} }={f_{\mathrm {clk} }}/{2}$ $f_{\mathrm {clk} }$ $T_{\mathrm {clk} }$

В TI ADC каждый , один из каналов получает выборку входного сигнала. Операция преобразования, выполняемая каждым суб-АЦП, занимает секунды, и после преобразования цифровой мультиплексор последовательно выбирает выход из одного из суб-АЦП. Этот выбор происходит в определенном порядке, как правило, от первого суб-АЦП к суб -АЦП, а затем цикл повторяется. ^[1] $T_{\mathrm {s} }$ $T_{\mathrm {clk} }$ $М$ $M^{\text{й}}$

В любой момент времени каждый канал занят преобразованием различных выборок. Следовательно, совокупная скорость передачи данных системы выше, чем скорость передачи данных одного суб-АЦП в . Это происходит потому, что система TI по сути распараллеливает процесс преобразования по нескольким суб-АЦП. Фактор , представляющий количество чередующихся каналов, таким образом, представляет увеличение общей скорости выборки всей системы. ^[1] $М$ $М$

В заключение, метод временного чередования эффективно увеличивает скорость преобразования каждого суб-АЦП в разы. В результате, даже если каждый суб-АЦП работает в относительно медленном темпе, объединенный выход системы TI характеризуется более высокой частотой дискретизации. Таким образом, временное чередование является мощным методом в проектировании и реализации преобразователей данных, поскольку оно позволяет создавать высокоскоростные АЦП с использованием компонентов, которые по отдельности имеют гораздо более низкие возможности производительности с точки зрения скорости. $М$

Возможные архитектуры

Для реализации АЦП с временным чередованием возможны две архитектуры. ^[4] Первая архитектура изображена на первом рисунке параграфа и характеризуется наличием одной схемы выборки и удержания (S&H) для всей структуры. Сэмплер работает на частоте и получает выборки для всех каналов АЦП TI. После получения выборки аналоговый демультиплексор распределяет ее по соответствующему суб-АЦП. Такой подход централизует процесс выборки, обеспечивая однородность полученных выборок. Однако он предъявляет строгие требования к скорости к схеме S&H, поскольку она должна работать на полной частоте выборки системы АЦП. $f_{\mathrm {s} }={T_{\mathrm {s} }}^{-1}$

Напротив, вторая архитектура, показанная на втором рисунке параграфа, использует различные схемы S&H для каждого канала, каждая из которых работает на пониженной частоте , где снова — число чередующихся каналов. Это решение значительно снижает требования к скорости для каждой схемы S&H, поскольку им нужно работать только на части общей частоты дискретизации. Такой подход смягчает проблему высокоскоростной работы первой архитектуры. Однако это преимущество сопряжено с компромиссами, а именно с увеличением занимаемой площади и более высоким рассеиванием мощности из-за дополнительных схем, необходимых для реализации нескольких схем S&H. $({M\cdot T_{\mathrm {s} }})^{-1}$ $М$

Преимущества и компромиссы двух архитектур

Выбор между этими двумя архитектурами зависит от конкретных требований и ограничений приложения. Архитектура с одной схемой S&H предлагает компактное и потенциально менее энергоемкое решение, поскольку устраняет избыточность нескольких схем S&H. Централизованная выборка также может уменьшить несоответствия между каналами, поскольку все выборки извлекаются из одного источника. Однако требование высокой скорости для одной схемы S&H может стать серьезной проблемой, особенно при очень высоких частотах выборки, когда достижение необходимой производительности может потребовать более передовых и дорогостоящих технологий. ^[4]

С другой стороны, архитектура с несколькими схемами S&H распределяет нагрузку выборки, позволяя каждой схеме S&H работать на более низкой скорости. Это может быть выгодно в приложениях, где высокоскоростные схемы сложно или дорого реализовать. Кроме того, эта архитектура может предложить улучшенную гибкость в управлении синхронизацией и несоответствиями усиления между каналами. Каждая схема S&H может быть независимо оптимизирована для своих конкретных условий эксплуатации, что потенциально приводит к лучшей общей производительности. Компромиссы включают большую площадь на интегральной схеме и повышенное энергопотребление, что может быть критическими факторами в приложениях с ограничениями по питанию или пространству. ^[4]

В практических реализациях выбор между этими архитектурами зависит от нескольких факторов, включая требуемую частоту дискретизации, бюджет мощности, доступную площадь кремния и приемлемый уровень сложности калибровки и исправления ошибок. Например, в высокоскоростных системах связи архитектура с одной схемой S&H может быть предпочтительнее, 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 является сложной задачей, архитектура с несколькими схемами S&H может быть более подходящей.

Источники ошибок

В идеале все суб-АЦП идентичны. Однако на практике они оказываются немного разными из-за изменений в процессе, напряжении и температуре (PVT). Если не обращать на это внимания, несоответствия суб-АЦП могут поставить под угрозу производительность АЦП TI, поскольку они проявляются в выходном спектре как спектральные тоны. ^[5]

Несоответствия смещения (т.е. различные смещения, относящиеся к входу, для каждого суб-АЦП) накладываются на преобразованный сигнал в виде последовательности периодов , влияя на выходной спектр АЦП паразитными тонами, мощность которых зависит от величины смещения, расположенными на частотах , где M представляет собой количество каналов, а k - произвольное целое число от до . ^[5] $M\cdot T_{\mathrm {s} }$ $f=({k}/{M})\cdot f_{\mathrm {s} }$ $0$ $М-1$

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

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

Несоответствия каналов в АЦП TI могут серьезно ухудшить его динамический диапазон без паразитных составляющих (SFDR) и отношение сигнал/шум и искажения (SNDR) . Для восстановления спектральной чистоты преобразователя проверенное решение состоит в компенсации этих неидеальностей с помощью цифровых коррекций. Несмотря на возможность восстановления общей спектральной чистоты путем подавления выбросов несоответствия, цифровые калибровки могут значительно увеличить общее энергопотребление приемника и могут быть не столь эффективными, когда входной сигнал является широкополосным. По этой причине следует 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 и более требовательной. Например, ширина полосы 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] Вдобавок ко всему, сложность модуляции сигнала также увеличилась с 64-QAM в 4G до 256-QAM в 5G NR.

Более жесткие требования предъявляют новые требования к конструкции современных приемников, производительность которых зависит от аналого-цифрового интерфейса, предоставляемого АЦП. В приемниках 4G преобразование данных выполняется с помощью дельта-сигма-модуляторов (DSM) , ^[7], поскольку они легко перенастраиваются: достаточно изменить коэффициент передискретизации (OSR) , порядок цикла или разрешение квантователя , чтобы настроить полосу пропускания преобразователя данных в соответствии с необходимостью. ^[7] Это желательная функция АЦП в приемниках, поддерживающих несколько стандартов беспроводной связи.

В приемниках 5G, напротив, DSM не являются предпочтительным выбором: полоса пропускания приемника должна быть выше нескольких сотен МГц, тогда как полоса пропускания сигнала DSM составляет лишь часть половины частоты дискретизации . С математической точки зрения, . 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, в которых полоса пропускания сигнала может достигать , согласно теореме Шеннона-Найквиста. ${\ displaystyle (f _ {\ mathrm {b}})}$ ${\ displaystyle (f _ {\ mathrm {s}})}$ $f_{\mathrm {b} }\leq {f_{\mathrm {s} }}/({2\cdot {\mathit {OSR}}})$ ${f_ {\mathrm {s} }}/{2}$

АЦП, используемые в приемниках 5G, требуют не только высокой частоты дискретизации для работы с большой полосой пропускания канала, но и разумного количества бит. Высокое разрешение необходимо для преобразователя данных, чтобы обеспечить использование схем модуляции высокого порядка, которые являются основополагающими 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 (где FSR — полный диапазон шкалы АЦП). Следовательно, чем больше количество уровней, тем точнее будет преобразование. Однако на практике шум (например, джиттер и тепловой шум ) накладывает фундаментальное ограничение на достижимое разрешение, которое ниже физического количества бит и обычно выражается в терминах ENOB. ${\mathit {LSB}}={\mathit {FSR}}/{2^{N}}$

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 эта технология эффективно увеличивает общую частоту дискретизации, позволяя приемнику обрабатывать широкие полосы пропускания, требуемые сетью 5G.

Прямая выборка радиочастот

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

Антенна является первым компонентом в системе приемника; она улавливает электромагнитные волны из воздуха и преобразует эти радиоволны в электрические сигналы. Затем эти сигналы фильтруются преселектором, который гарантирует, что только желаемый диапазон частот из сигналов, улавливаемых антенной, передается на следующие этапы приемника. Затем сигнал усиливается с помощью LNA. Действие усиления гарантирует, что сигнал достаточно сильный для эффективной обработки на последующих этапах системы. Затем усиленный сигнал смешивается со стабильным сигналом от локального генератора для получения сигнала промежуточной частоты (ПЧ). Этот процесс, известный как гетеродинирование , сдвигает частоту принимаемого сигнала на более низкую, более управляемую ПЧ. Сигнал ПЧ проходит дополнительную фильтрацию для удаления любых 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 переданную информацию. В зависимости от типа используемой модуляции (например, амплитудная модуляция (АМ) , частотная модуляция (ЧМ) или фазовая модуляция (ФМ) ) могут использоваться различные методы демодуляции. На последнем этапе АЦП преобразует непрерывный аналоговый сигнал в дискретный цифровой сигнал, который может быть обработан цифровыми сигнальными процессорами (ЦСП) или микроконтроллерами . Этот этап имеет решающее значение для включения передовых методов цифровой обработки сигналов.

Для дальнейшего повышения энергоэффективности и стоимости приемника появляется парадигма прямой выборки радиочастот. Согласно этой методике аналоговый сигнал на радиочастоте просто подается на АЦП, избегая при этом понижающего преобразования до промежуточной частоты. ^[8]

Прямая выборка РЧ имеет значительные преимущества с точки зрения конструкции и производительности системы. Удаляя этап преобразования с понижением частоты, сложность конструкции снижается, что приводит к снижению энергопотребления и стоимости. Кроме того, отсутствие смесителя и локального генератора означает, что имеется меньше компонентов, которые могут вносить шум и искажения, что потенциально улучшает отношение сигнал/шум (SNR) и линейность приемника. ^[8]

Однако прямая выборка радиочастотного сигнала предъявляет жесткие требования к производительности АЦП. Полоса пропускания сигнала АЦП в приемнике должна составлять несколько ГГц для непосредственной обработки высокочастотных сигналов. Достижение таких высоких значений с помощью одного АЦП является сложной задачей из-за ограничений по скорости, энергопотреблению и разрешению. ^[8]

Для удовлетворения этих жестких требований обычно применяются системы АЦП с временным чередованием. Фактически, АЦП TI используют несколько более медленных суб-АЦП, работающих параллельно, каждый из которых производит выборку входного сигнала с разными временными интервалами. Благодаря чередованию процесса выборки эффективная частота выборки всей системы увеличивается, что позволяет ей обрабатывать высокие полосы пропускания, необходимые для прямой выборки ВЧ.

Ссылки

^ abc Манганаро, Габриэле. Advanced Data Converters . Cambridge University Press. С. 108–113.
^ abcd Poulton, Ken. «Чередованные АЦП на протяжении веков» (PDF) .
^ Шеннон, CE (1948). «Математическая теория связи». The Bell System Technical Journal . 27 (3): 379–423. doi :10.1002/j.1538-7305.1948.tb01338.x.
^ abc Maloberti, Franco (2007). Преобразователи данных . Springer New York. С. 174–177.
^ abcde Куросава, Наоки (март 2001 г.). «Явный анализ эффектов несоответствия каналов в системах АЦП с временным чередованием». Труды IEEE по схемам и системам I. 48 ( 3): 261–271. doi :10.1109/81.915383.
^ ab Huo, Yiming; et al. (2017). «Абонентское оборудование сотовой связи 5G: от теории к практическому проектированию оборудования». IEEE Access . 5 : 13992. arXiv : 1704.02540 . Bibcode : 2017IEEEA...513992H. doi : 10.1109/ACCESS.2017.2727550.
^ ab Gielen, G.; et al. (2005). «Реконфигурируемые архитектуры интерфейсов и АЦП для гибких беспроводных приемопередатчиков для радиостанций 4G». 2005 IEEE 7th CAS Symposium on Emerging Technologies: Circuits and Systems for 4G Mobile Wireless Communications . pp. 13–18. doi :10.1109/EMRTW.2005.195670. ISBN 5-7422-0895-2.
^ abc Psiaki, ML; et al. (2005). "Проектирование и практическая реализация многочастотных входных трактов ВЧ с использованием прямой выборки ВЧ". IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques . 53 (10): 3082. Bibcode : 2005ITMTT..53.3082P. doi : 10.1109/TMTT.2005.855127.