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1-2021

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Grundlagen

Grundlagen Schlüsselparameter von HF-Sampling-Datenkonvertern kennen und verstehen (Teil 2 und Schluss) Die wichtigsten Kennwerte eines HF-Sampling-Datenkonverters schnell zugenommen. Dementsprechend Benutzerfreundlichkeit und Leistung des HF-Abtastdatenkonverters in Kommunikationsanwendungen mit direkter Abtastung wurden erheblich verbessert. Infolgedessen haben sich Hersteller von analogen Datenkonvertern weitgehend darauf geeinigt, die Rauschspektraldichte (NSD), die Intermodulationsverzerrung 3. Ordnung (IM3) und das Nachbarkanal- Leckverhältnis (ACLR) zur Charakterisierung ihrer Produkte zu verwenden. Rauschspektraldichte (NSD) In software-definierten Funk- und ähnlichen Schmalband- Anwendungsfällen sind neuere Parameter unverzichtbar, um das Datenkonverterrauschen exakt zu quantifizieren. Bei HF-Designs mit direkter Abtastung sind Datenkonverter typischerweise gekennzeichnet durch die NSD-, IM3- und ACLR-Parameter und nicht durch herkömmliche Parameter wie SNR und ENOB. Das liegt daran, dass in softwaredefinierten Funk- und ähnlichen Schmalband-Anwendungsfällen das gesamte Datenkonverterrauschen (Nyquist-Bandbreite) nicht in Erscheinung tritt. Da die Halbleiterprozessgeometrie bis heute immer kleiner wurde, hat die Transitfrequenz der integrierten Transistoren NSD steht für Noise Spectral Density, auch „spektrale Rauschleistungsdichte“ genannt. Wie in Teil 1 beschrieben, berücksichtigen SNR und ENOB den gesamten Nyquist-Bereich des Rauschens eines Datenkonverters. Diese Rauschbandbreite ist aber für die heutigen HF-Abtastdatenkonverter, ins- Quelle: Understanding Key Parameters for RF-Sampling Data Converters, White Paper WP509 (v1.0) 20. Februar 2019 Xilinx, www.xilinx.com übersetzt von FS Bild 5: Grafische Darstellung von SNR und NSD im FFT-Spektrum 36 hf-praxis 1/2021

Grundlagen Bild 6: Grafische Darstellung von IM3 in einem nichtlinearen System besondere für SDR, nicht relevant. In realen Anwendungen sind häufig enge Bandpassfilter für das interessierende Band vorgesehen, und viele ADCs mit HF-Abtastung enthalten Dezimierungsmerkmale, um nur das Signal in der interessierenden Bandbreite zu extrahieren. Beide Aspekte eliminieren immer das gesamte Rauschen außerhalb dieser Bänder. Somit ist die NSD eine geeignetere Metrik zur Quantifizierung der Fähigkeit des HF- Abtastdatenkonverters, da die NSD gewissermaßen die Menge an Rauschenergie in 1 Hz Bandbreite auch für einen Datenkonverter angibt. Während die NSD Theoretikern bereits gut bekannt ist, wird sie erst seit einiger Zeit auf Datenkonverter angewendet, sodass sie für einige Ingenieure und IC-Beschaffungs-Manager noch neu ist. Per Definition bezieht sich der Parameter NSD auf die Rauschleistung pro Hertz relativ zum HF-ADC-Vollton am Eingang, der üblicherweise als dBFS/Hz ausgedrückt wird und es ermöglicht, das Rauschverhalten von Datenkonvertern mit unterschiedlichen Abtastraten zu untersuchen. Um die NSD von Datenkonvertern zu erhalten, wird zunächst die RMS-Quantisierungsrauschleistung über den gesamten Nyquist-Bereich berechnet. Dazu setzt man beim SNR an, das als Verhältnis der Leistung von Grundsignal zur Leistung des Rauschens über der ersten Nyquist-Zone definiert ist: Die folgende Gleichung enthält die Einheiten der Komponenten: Zur Vereinfachung für die Praxis angenommen sei eine Leistung des Grundsignals von 0 dBFS: Dann erhält man folgende einfache Gleichung: Diese NSD-Gleichung ist nützlich, um verschiedene HF- Abtastdatenkonverter mit unterschiedlichen Abtastfrequenzen zu untersuchen und um herauszufinden, welche Produkte das niedrigste frequenzbandspezifische Rauschen in SDR-Anwendungen aufweisen. Für einen idealen 12-Bit-ADC mit 4 GSPS Abtasttakt gilt: NSD = - (6,02 × 12 + 1,76) [dBFS] - 10 log 10 (4 GSPS/2) [Hz] = - (74 + 93) dBFS/Hz = -167 dBFS/Hz Bild 5 zeigt die Rauschleistung für dieses Produkt. Für nichtideale Datenkonverter lautet die NSD-Gleichung: Bild 7: Zynq UltraScale + RFSoC RF-DAC IM3-Messung mit Zweitonsignal Das vollständige SNR wird zwecks Anwendung dieser Gleichung entweder durch eine direkte Messung oder aus dem vom Anbieter gelieferten Datenblatt erhalten. Das Aufmacherbild betrifft das Xilinx Zynq UltraScale + hf-praxis 1/2021 37

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