CC BY
160Требования к тактированию
для быстродействующих преобразователей сигналов
Дэвид БрэнДон (David BRANDoN) Дэвид КруК (David CRooK) Перевод: Алексей ВлАСЕнко
Инфраструктуры беспроводной связи, широкополосные устройства, измерительные системы — во многих подобных системах требуются очень высококачественные схемы тактирования. И прежде всего высококачественное тактирование необходимо для быстродействующих преобразователей сигналов. существует несколько основных требований к схемам тактирования, это низкий фазовый шум и низкий джиттер (дрожание фронтов тактового сигнала), обеспечение точной частоты и возможность отфильтровывать джиттер. В статье рассматриваются способы получения высококачественного тактового сигнала.
В приемопередатчиках базовых станций связи, широкополосных модемах и высококачественных измерительных системах обычно имеются аналого-цифровые (АЦП) или цифро-аналоговые (ЦАП) преобразователи, обладающие большим динамическим диапазоном, высокой частотой оцифровки или и тем и другим сразу.
Параметры применяемого преобразователя определяются требованиями ко всей системе и ее архитектурой. Спектральная чистота сигнала тактирования зачастую оказывает большое влияние на возможность обеспечить заданные параметры системы.
Например, рассмотрим беспроводной приемопередатчик, показанный на рис. 1. Генератор тактовых импульсов обеспечивает тактирование преобразователей АЦП и ЦАП, а также некоторых других блоков схемы.
Основной параметр АЦП, который применяется в радиоприемных устройствах, — это соотношение сигнал/шум (SNR). Этот параметр показывает, насколько точно АЦП преобразовывает сигнал. В идеале АЦП должен преобразовывать небольшой аналоговый сигнал в точный цифровой код с высокой разрешающей способностью. В терминах радиоприема отношение сигнал/шум циф-
ро-аналогового преобразователя определяет такой параметр, как порог чувствительности.
Теоретическое значение отношения сигнал/шум для шума квантования N-разрядного преобразователя вычисляется следующим образом:
SNR = 6,02(N)+1,8. (1)
Таким образом, для 14-разрядного преобразователя теоретическим пределом отношения сигнал/шум является 86 дБ.
Для схем, в которых оцифровка производит ся непосредственно с промежуточной частоты (как показано на рис. 1), требования к джиттеру тактового сигнала очень высокие. Качество тактового сигнала, поступающего на АЦП, часто является определяющим фактором для отношения сигнал/шум всей системы:
ADCSNR = 20hg(2%fanalogxtchcklltter)- (2)
Это уравнение показывает соотношение между широкополосным джиттером тактового сигнала и максимально достижимым соотношением сигнал/шум при заданной частоте входного сигнала. Например, при частоте сигнала 170 МГц и джиттере тактового сигнала 275 фс (0,275 пс) предельно достижимое соотношение сигнал/шум составляет примерно 70,65 дБ.
На практике отношение сигнал/шум ограничивается не шумом квантования (1), а другими факторами. Это шумы в аналоговом тракте преобразователя и в тракте тактирования. Шумы самой сигнальной цепи тактирования создают фазовый шум, который проявляется в виде «апертурного джиттера». Этот джиттер проявляется так, как проявлялся бы внешний джиттер в самом сигнале
Рис. 2. БПФ данных, полученных с помощью 14-разрядного АЦП
(частота сигнала — 170 МГц, частота тактовых импульсов — 122,88 МГц, SNRFS = 76 дБ)
тактирования, и применим в (2), если заменить джиттер тактового сигнала ^с1оск^Шет)
на апертурный Джиттер ^тит^ш^. Из (2)
видно, что отношение сигнал/шум ухудшается при увеличении частоты сигнала (./я„я/о?) -
Взаимосвязь между чистотой спектра внешнего сигнала тактирования и достижимым уровнем отношения сигнал/шум может быть проиллюстрирована следующими измерениями- На рис. 2 показан результат преобразования Фурье для 14-битного АЦП, оцифровывающего прямо с промежуточной частоты 170 МГц. Измеренное отношение сигнал/ шум относительно полной шкалы (отмеченной на рис. 2) составляет 76 дБ- Это
соответствует данным, приведенным в техническом описании преобразователя.
Теперь применим специализированную микросхему для тактирования со встроенным генератором, управляемым напряжением (УСО), которая весьма полезна в схемах тактирования приемопередающих устройств. Для того чтобы оценить ее влияние на качество оцифровки, измерим сначала величину фазового шума тактового сигнала (рис. 3).
Для того чтобы пересчитать фазовый шум в значение джиттера, воспользуемся следующей формулой:
Среднеквадратичный джиттер =
—,/[/2юад/10#.
2п/с\ч (3)
Таким образом, мы интегрируем значение фазового шума по всей полосе частот и пересчитываем его в среднеквадратичное значение джиттера.
Путем интегрирования плотности шума в полосе от 50 кГц до 61 МГц получаем величину джиттера 230 фс. Полоса 50 кГц — 61 МГц выбрана в соответствии с диапазоном, в котором производится оценка шумов с помощью
БПФ. 50 кГц соответствует разрешающей способности БПФ, а 61 МГц — частоте Найквиста
Рис. 3. Фазовый шум генератора тактовых импульсов при
(половине частоты дискретизации). Подставив полученные 230 фс в уравнение 1, получим отношение сигнал/шум 72,2 дБ.
Однако реальное значение отношения сигнал/шум (SNR) будет определяться как джиттером, так и шумом самого АЦП. Корень из суммы квадратов SNR, полученного при БПФ (рис. 2), и SNR, рассчитанного из данных фазового шума (72,2 дБ), даст в результате значение 70,68 дБ.
Чтобы проверить нашу оценку, мы сделали соответствующие измерения, используя специализированную микросхему для тактирования. Данные, обработанные с помощью БПФ, показаны в виде графика на рис. 4.
Полученное значение SNR согласуется с расчетным и демонстрирует важность снижения джиттера сигнала тактирования для качества оцифровки. Хотя до сих пор мы говорили только об АЦП, но джиттер тактового сигнала аналогичным образом ухудшает отношение сигнал/шум цифро-аналоговых преобразователей.
Широкополосный джиттер тактовых импульсов — не единственный аспект чистоты
работе на частоте 122,88 МГц
Рис. 4. БПФ данных, полученных с помощью 14-разрядного АЦП и специализированной микросхемы для тактирования (частота сигнала — 170 МГц, частота тактовых импульсов — 122,88 МГц, SNRFS = 70,75 дБ)
1201
проектирование
схемотехника
Marker 1 [12]
0.44 dBm 122.88501002 MHz
10 kHz 100 Hz 10 s Unit
RF Att 10 I
Center 122.88 MHz 400 kHz/
: 09.MAY 2009 10:00:50
Рис. 5. Спектр сигнала с большим фазовым шумом и спектр «чистого» тактового сигнала
\
X
1й
о
¡3
©
-120 -
122,88 МГц ADC Encode & 170 МГц + 167 МГц Ain
40 ООО ООО
43 ООО ООО 46 ООО ООО
Частота, Гц
49 ООО ООО
1 Мешающий сигнал с добавленным фазовым шумом Мешающий сигнал без добавленного фазового шума
Рис. 6. Фазовый шум от соседнего канала простирается в интересующую нас область
спектра, который надо учитывать. «Ближний» фазовый шум также влияет на характеристики системы.
Впрочем «ближний» фазовый шум не сильно ухудшает соотношение сигнал/шум; гораздо большее влияние оказывает влияние сигнала смежного канала, который искажает «нужный» сигнал. Этот эффект подобен смешению в аналоговых системах. В процессе оцифровывания сигнала в преобразователе происходит смешение. Сигнал тактирования смешивается с входным сигналом во временной области. В результате получается свертка в частотной области.
Так, «юбочка» в спектре сигнала тактирования (рис. 5) проявляется в виде такой же «юбочки» в спектре оцифрованного сигнала. Фазовый шум сдвигается соответственно разнице частоты между входным сигналом и сигналом тактирования. Проблема обостряется, когда «юбочка» фазового шума мощного сигнала из смежного канала перекрывает
слабый сигнал в «нужном» канале и искажает его. Этот эффект представлен на графике БПФ на рис. 6. Здесь показано влияние мощного сигнала соседнего канала при чистом сигнале тактирования и при наличии значительного фазового шума в сигнале тактиро-
вания. Видно, что «юбочка» фазового шума сигнала тактирования отобразилась на мощном сигнале побочного канала и затронула своим краем интересующий нас «нужный» сигнал. Фазовый шум может отстоять от основного сигнала на величину от десятков килогерц до нескольких мегагерц, в зависимости от применяемого типа модуляции.
Фазовый шум сигнала тактирования в цифро-аналоговых преобразователях обычно проявляется в виде ухудшения амплитуды вектора ошибки (Error Vector Magnitude, EVM) полученного модулированного сигнала. При заданном типе модуляции фазовый шум «размазывает» точки сигнального «созвездия» модуляции, что ухудшает EVM и может привести к увеличению числа ошибок. Этот эффект показан на примере «созвездия» 16 QAM (рис. 7). На рис. 7а показано «созвездие» при «чистом» сигнале тактирования, а на рис. 7б — влияние большого фазового шума сигнала тактирования на «созвездие». Фазовый шум, в сущности, «поворачивает» фазу точек «созвездия», уменьшая запас по шумам между смежными точками. Не нужно забывать, что и широкополосный фазовый шум, и джиттер способ-ствуют ухудшению величины вектора EVM. В тех схемах, где на выходе ЦАП применяется узкополосный фильтр, в первую очередь нужно учитывать «ближний» фазовый шум.
Обеспечение сигнала тактирования с чистым спектром — основная функция схемы тактирования приемопередатчика, но есть и другие функции, которые также должна выполнять эта схема.
Вернемся к рис. 1. Приемопередатчик имеет несколько каналов приема, для каждого нужен отдельный АЦП. В некоторых случаях также требуется несколько ЦАП. Дополнительные сигналы тактирования могут понадобиться и для АЦП, используемых для цифровых предыскажений, для программируемых логических матриц FPGA или специализированных микросхем для обработки сигналов ASIC.
Частоты тактирования ЦАП и АЦП обычно отличаются. Для FPGA и ASIC также требуются другие частоты. Спектрально чистый основной
-ф- -+- -ф- / О / * ■ ч 1 « 1
-4- + -4- + -4- + и \ . ч - - і * / и
Рис. 7. a) «Созвездие» 16 QAM для «чистого» сигнала тактирования; б) влияние фазового шума на «созвездие»
сигнал тактирования должен быть разветвлен на многие каналы, в некоторых из них необходимо деление частоты, а сигнал следует преобразовать в нужную форму. Часто требуются сигналы в формате LVPECL, LVDS и CMOS. Также должна быть точная настройка задержки сигнала в разных каналах для компенсации фаз сигнала или задержек за счет разводки платы. В некоторых случаях необходимо внесение задержки или сдвига фазы между каналами. Например, задержка может понадобиться между тактированием преобразователя и тактированием выходного регистра АЦП.
В таких системах учитывается взаимное влияние каналов. ЦАП и АЦП обычно работают на разной частоте. Тактовый сигнал, проникающий из одного канала в другой, может привести к появлению нежелательных «пиков» в спектре сигнала. Эта проблема зачастую может быть устранена за счет смещения фронтов основного сигнала и дополнительного сигнала тактирования. Возможность подстройки задержки фронтов сигналов может быть очень важным преимуществом схемы тактирования.
Для уменьшения возможности сбоя системы схема тактирования должна обеспечивать «резервирование» на случай пропадания входного тактового сигнала. Это достигается введением дополнительного источника опорного тактового сигнала, на который обеспечивается переключение при сбое основного источника. В случае, когда основной и дополнительный источники вышли из строя, может быть реализован следующий уровень резервирования, называемый “Holdover”. В режиме Holdover система тактирования пытается поддержать частоту тактирования, которая была до сбоя, как можно дольше. В приемопередатчиках режим Holdover не предназначен для обеспечения функционирования приборав нормальном режиме, а только для поддержания тактирования, так, чтобы система смогла сгенерировать соответствующий сигнал оповещения о сбое и таким образом инициировать ремонт системы. ■
Литература
1. AD9445: 14Bit 125MSPS, IF Sampling ADC.
2. Brannon B. Sampled Systems and the effects of Clock Phase Noise and Jitter. Analog
Devices Application note AN-756.
