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12-2020

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Grundlagen

Grundlagen Schlüsselparameter von HF-Sampling-Datenkonvertern kennen und verstehen (Teil 1) Herkömmliche ADC-Spezifikationen: SFDR, SNR, SNDR & ENOB Bereich, bevor die Störkomponente das Nutzsignal stört oder verzerrt. Der SFDR ist definiert als das Verhältnis des quadratischen Mittelwerts (RMS) der sinusförmigen Testsignals zum Effektivwert des Spitzenstörsignals im Ausgang, gemessen von 0 Hz (DC) bis zur die Hälfte der Abtastrate des Datenkonverters (fs/2). Die Spitzenstörkomponente könnte harmonisch oder nichtharmonisch sein. Der SFDR kann mit der folgenden Gleichung berechnet werde: In diesem zweiteiligen Beitrag werden zunächst die traditionellen ADC- Parameter SFDR, SNR, SNDR (SINAD) und ENOB vorgestellt, die eine gute Charakterisierung von Datenkonvertern in Breitbandanwendungen ermöglichen. In Teil 2 geht es dann um Herleitung und Messung der Parameter NSD, IM3 und ACLR, die eine große Rolle in SDR- und Schmalband- Anwendungen spielen. Quelle: Understanding Key Parameters for RF-Sampling Data Converters, White Paper WP509 (v1.0) 20. Februar 2019, Xilinx, www.xilinx.com, übersetzt von FS Im vorliegenden ersten Teil kommen die grundlegenden mathematischen Beziehungen für die traditionellen ADC-Parameter SFDR, SNR, SNDR (SINAD) und ENOB zur Sprache und es wird veranschaulicht, warum diese eine gute Charakterisierung von Datenkonvertern in Breitbandanwendungen wie Überlagerungsempfängern ermöglichen. Dann wird begründet, warum diese Parameter für Datenkonverter in Schmalbandanwendungen, die über ihre gesamte Nyquist-Bandbreite arbeiten, wie es bei der direkten HF-Abtastung im SDR der Fall ist, weniger geeignet sind. In Teil 2 werden dann Herleitung und Messung von NSD, IM3 und ACLR thematisiert. Einführung Analoge Datenkonverter wurden bereits im Zweiten Weltkrieg für entwickelt Nachrichtenverschlüsselungssysteme benutzt. Seit jenen frühen Tagen hat die Industrie Schlüsselparameter definiert und übernommen (z. B. SNR, SFDR und ENOB), um die Leistungsfähigkeit von Datenkonvertern näher zu quantifizieren. In letzter Zeit wurden viele neue HF-Abtastdatenkonverter für die Implementierung in SDR-Anwendungen entwickelt, aber die Parameter für herkömmliche ADCs übernommen. Doch diese können HF-Abtastwandler nicht vollständig charakterisieren. Ein neuer Satz von Parametern, wie z. B. Rauschspektraldichte (NSD), Intermodulation 3. Ordnung (IM3) und Lecking- Verhältnis des Nachbarkanals (ACLR) sind erforderlich, um insbesondere die dynamische Leistung von HF-Abtastdatenkonvertern zu definieren, die heute für Direkt-HF-Abtastanwendungen eingesetzt werden. In diesem Beitrag werden die Spezifikationen sowohl für herkömmliche Datenkonverter als auch für neue HF- Abtastungen beschrieben. Verschiedene Datenkonverter werden beschrieben und die bevorzugten Parameter für HF- Abtastkonverter identifiziert. Spurious-Free Dynamic Range (SFDR) Der störungsfreie Dynamikbereich (SFDR) wird üblicherweise verwendet, um den nutzbaren Dynamikbereich eines Datenkonverters abzustecken, d.h. den Kennt man die entsprechenden Pegel (in dBm), kann man einfach die Differenz bilden. Das Aufmacherbild zeigt die SFDR- und Oberwellen-Leistung eines RF-ADCs mit einer Amplitude von -1 dBFS bei 240 MHz im Eingang, sodass ein SFDR = 79 dBc vorliegt. Gemäß der FFT-Messung ist der größte Störpegel die dritte Harmonische des Eingangssignals. Der SFDR von Datenkonvertern wird häufig durch die zweite oder dritte Harmonische des Eingangssignals begrenzt. Durch sorgfältiges Filter-Design und optimale Frequenzplanung können HD2 und/oder HD3 jedoch in der Regel soweit unterdrückt werden, dass sich der SFDR stark verbessert. Ohne HD2 und HD3 beträgt der SFDR hier 86,42 dBc. Signal/Rausch- Verhältnis (SNR) Das Signal/Noise Ratio (SNR) ist der Parameter, der typischerweise zur Quantifizierung des Rauschens in Datenkonvertern verwendet wird. Auch dieses Verhältnis der Leistung des Rauschens zur Leistung des vom 26 hf-praxis 12/2020

Grundlagen Bild 1: Blockschema eines Superhetempfängers mit hoher 1. ZF Rauschen befreiten Eingangssignals wird üblicherweise in Dezibel ausgedrückt. Es werden die Effektivwerte des Signals und des Rauschens in Beziehung gesetzt: Da man das Signal nicht ohne Rauschen messen kann, bildet man zunächst das Verhältnis N/ (S+N) und rechnet dann in das SNR um. Beide Verhältnisse verschlechtern sich normalerweise bei höherer Frequenz aufgrund von Abtast-Jitter. Störendes Rauschen kommt beim ADC aus drei Quellen: • Quantisierungsrauschen • thermisches Rauschen des ADCs • Jitter-Rauschen (Abtastunsicherheitsrauschen) Das theoretische maximale SNR für einen ADC mit einem vollständigen Sinussignal am Eingang ergibt sich lediglich aus dem Quantisierungsrauschen. Für das SNR ist noch eine andere (einfachere) Formeldarstellung auf Basis der Nyquist-Bandbreite möglich, wobei N die Anzahl der Bits eines idealen ADCs ist: Diese Formel gibt das bestmögliche SNR über die gesamte Nyquist-Bandbreite unter der Annahme eines Sinussignals am Eingang für einen idealen N-Bit- Datenkonverter (ohne harmonische Verzerrung) an. Das SNR eines Datenkonverters ist ebenfalls begrenzt durch sein eigenes thermisches Rauschen und das Abtasttakt-Phasenrauschen. Das SNR verbessert sich, wenn die Eingangssignalbandbreite niedriger ist als die Nyquist-Rate. (Eine detaillierte Ableitung finden Sie im Anhang der Originalveröffentlichung.) Verhältnis Signal/ (Rauschen+ Verzerrungen): SNDR Bild 2: Blockdiagramm eines Überlagerungsempfängers mit Direct-RF-Sampling-Architektur Das SNDR (auch SINAD genannt) ist das Verhältnis der RMS-Signalleistung zu (a) der gesamten Rauschleistung und (b) der RMS-Summe aller anderen Spektralkomponentenleistungen plus aller anderen harmonischen Komponentenleistung am Ausgang (ohne Gleichstrom), wenn das Eingangssignal eine Sinuswelle ist. Das SNDR ist einer der Schlüsselparameter zur Beurteilung der dynamischen Leistung von Datenkonvertern, da das SNDR das gesamte Rauschen und die übrigen Störungen (z.B. Oberwellen) über die Nyquist-Bandbreite enthält. Die SNDR-Gleichung kann wie folgt dargestellt werden: Dabei ist PSignal die durchschnittliche Leistung der interessierenden Signal-, Rauschund Verzerrungskomponenten. Das SNDR wird üblicherweise in Dezibel, dBc (Dezibel relativ zum Träger) oder dBFS (Dezibel relativ zum Skalenendwert) ausgedrückt. Auch das SNDR hat noch eine andere Gleichung: hf-praxis 12/2020 27

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