تحليل موجز للاعتبارات خطوة بخطوة لتصميم أنظمة ذات عرض نطاق عريض متعدد القنوات

“يمتد الجيل التالي من عروض نطاقات أنظمة الفضاء والدفاع والاختبار والقياس من 10s إلى 100s MHz إلى GHz لحظية. توجه الاتجاهات في رادار الصفيف المرحلي وأنظمة الاختبار اللاسلكي 5G والحرب الإلكترونية وأجهزة الذبذبات الرقمية الصناعة نحو عرض نطاق ترددي أعلى وتزيد بشكل كبير من عدد القنوات في النظام.

“

يمتد الجيل التالي من عروض نطاقات أنظمة الفضاء والدفاع والاختبار والقياس من 10s إلى 100s MHz إلى GHz لحظية. توجه الاتجاهات في رادار الصفيف المرحلي وأنظمة الاختبار اللاسلكي 5G والحرب الإلكترونية وأجهزة الذبذبات الرقمية الصناعة نحو عرض نطاق ترددي أعلى وتزيد بشكل كبير من عدد القنوات في النظام.

تعمل هذه الاتجاهات على تعقيد تصميم سلاسل الإشارات التي تتضمن مكونات مثل محولات البيانات والساعات وإمدادات الطاقة. يعد تحديد محول البيانات الصحيح ومزامنة قنوات متعددة وتحسين مصادر الطاقة أمرًا بالغ الأهمية لتحقيق النطاق الترددي اللازم عبر قنوات متعددة.

اختر محول البيانات الصحيح

تبدأ كل بنية نظام بالجهاز الذي له أكبر تأثير على أداء النظام ؛ في أنظمة النطاق العريض ، تبدأ محولات البيانات أولاً. يعتمد اختيار محول البيانات على إجاباتك على الأسئلة التالية:

هل ستستخدم ترددًا متوسطًا صفريًا (IF) / بنية خلاط معقد (كما هو موضح في الشكل 1)؟

الميزة: يحتوي المحول التناظري إلى الرقمي (ADC) على عرض نطاق ترددي ومعدل أخذ عينات أقل من البنى الأخرى ، مما يبسط عملية التصفية أو يلغيها.

العيوب: يلزم وجود قناتين ADC لكل عنصر هوائي للمساري I و Q ، وقد تؤدي صور جهاز الخلط إلى تدهور أداء النظام.

هل ستستخدم مادة غير متجانسة (كما هو موضح في الشكل 2)؟

ميزة: أنت فقط بحاجة إلى قناة واحدة لمحول البيانات ، وعرض النطاق الترددي لإدخال ADC أقل من أخذ عينات تردد الراديو (RF).

العيوب: يتطلب خلاطًا واحدًا أو أكثر ، وتعقد صورة الإشارة والتوافقيات الناتجة عملية التصفية ؛ يصعب ضبط تردد الاستجابة ؛ يجب نقل المذبذب المحلي (LO).

هل ستستخدم عينات التردد الراديوي المباشر (كما هو موضح في الشكل 3)؟

المزايا: لا حاجة للخلاطات بسبب سلسلة الإشارة المبسطة ؛ ويمكن تعديل التردد بسهولة رقميًا باستخدام المحولات الرقمية (DDC) والمذبذبات التي يتم التحكم فيها رقميًا (NCOs).

العيب: يجب أن يكون أعلى تردد إشارة ضمن عرض النطاق الترددي للإدخال ADC ؛ تخطيط التردد مطلوب لتحقيق أقصى أداء.

الشكل 1: “الهندسة المعمارية النموذجية للخلاط المعقد”

الشكل 2: الهندسة المعمارية النموذجية غير المتجانسة

الشكل 3: بنية نموذجية لأخذ عينات الترددات الراديوية

ما هي أوسع إشارة النطاق الترددي التي تحتاج إلى قياسها؟

يجب أن يكون معدل أخذ العينات لمحول البيانات 2.5 مرة على الأقل من عرض النطاق الترددي الآني للإشارة التي تم أخذ عينات منها مباشرة ، أو 1.25 مرة من التردد الصفري IF.

للحصول على أفضل أداء ، فإن معدل العينة الذي يبلغ حوالي 10 أضعاف عرض النطاق الترددي اللحظي سيجعل من السهل عليك تجنب توافقيات الإشارة وتوتيرها.

يمكن لمخطط تردد أخذ عينات الترددات اللاسلكية والمرشح التناظري و DDC Excel Calculator من TI تلبية متطلبات تخطيط التردد والترشيح وإظهار التدمير الرقمي المعقد لإشاراتك.

كما ذكرنا سابقًا ، تتطلب أنظمة النطاق العريض محولات ذات معدل عينات مرتفع. على سبيل المثال ، يمكن لنظام أخذ العينات RF مع عرض نطاق إشارة يبلغ 1 جيجاهرتز الاستفادة من محول البيانات بسرعة تحويل 10-GSPS ، وبالتالي تجنب توافقيات الإشارة. حاليًا ، أسرع محول TI هو ADC12DJ3200 ، وهو 12 بت ADC يمكن تشغيله بسرعة 3.2 GSPS لكل قناة في وضع القناة المزدوجة أو 6.4 GSPS في وضع القناة الواحدة. ولكن حتى في وضع القناة الواحدة ، فإنه لا يلبي سرعة 10 GSPS المطلوبة. لتلبية هذا المطلب ، يجمع التصميم المرجعي AFE المرن 3.2GSPS متعدد القنوات لأنظمة الاختبار اللاسلكي DSO والرادار و 5 G بين وحدتي ADC12DJ3200 على لوحة واحدة ، كما هو موضح في الشكل 4.

الشكل 4: رسم تخطيطي للتصميم المرجعي AFE متعدد القنوات

يوفر هذا التصميم المرجعي مرونة للنظام حيث يمكن تشغيله في وضع رباعي أو 3.2-GSPS أو ثنائي أو وضع 6.4-GSPS أو كقناة واحدة تصل إلى 12.8 GSPS. يوضح التصميم المرجعي التناظري للواجهة الأمامية 12.8-GSPS لأجهزة الذبذبات عالية السرعة وأجهزة التحويل الرقمية ذات النطاق العريض تشذير اثنين من ADCs على اللوحة.

الآن ، مع تقديمنا الجديد ثنائي القناة 5.2-GSPS ADC12DJ5200RF ، ستتمتع تصاميم الجيل التالي بأداء ومرونة أعلى. نظرًا لأن ADC12DJ5200RF متوافق مع الدبوس مع ADC12DJ3200 ، سنكون قريبًا قادرين على تعديل التصميمات المرجعية الحالية ونقدم الآن تصميمًا مرجعيًا 20.8GSPS قابلًا للتطوير لمحول رقمي 12 بت. عند 20.8 جيجاهرتز ، يمكن رقمنة عرض النطاق الترددي للإدخال البالغ 8 جيجاهرتز للجهاز في لقطة واحدة.

تصميم الساعة المعمارية

بعد اختيار محول البيانات ، يجب تصميم بنية تسجيل الوقت. يعد تسجيل الوقت لمحول بيانات واحد أمرًا سهلاً ، ولكن العديد من الأنظمة ، مثل تصميمنا المتداخل ، تتطلب محولات متعددة يتم تسجيلها في وقت واحد. على سبيل المثال ، يمكن أن تحتوي أنظمة الصفيف المرحلية الكبيرة على مئات أو آلاف القنوات. لدى TI العديد من الأجهزة والتصميمات المرجعية لمواجهة هذا التحدي في التصميم.

يعد التصميم المرجعي لتسجيل الوقت متعدد القنوات JESD204B بسرعة 15 جيجاهرتز لأجهزة الاختبار اللاسلكية DSO والرادار والجيل الخامس نظامًا فرعيًا لتسجيل الوقت. يتضمن هذا التصميم (الموضح في الشكل 5) العديد من مراجع الساعة مثل LMK61E2 المذبذب القابل للبرمجة و LMK04828 ، وهو جهاز توزيع على مدار الساعة به 14 مخرجًا مستقلًا للساعة ، واثنان يوفران ضوضاء طور منخفضة للغاية تصل إلى 15 جيجاهرتز. (كما هو موضح في الشكل 6). بالإضافة إلى ذلك ، يمكن لـ LMX2594 إنشاء ساعة SYSREF متزامنة لمحولات البيانات بواجهة JESD204B. LMX2594 قادر أيضًا على مزامنة مرحلة الساعة عبر أجهزة متعددة. في التصميم المرجعي ، يمكنك العثور على مخططات ضوضاء الطور بترددات متعددة (كما هو موضح في الشكل 6) وتجد أن الانحراف من قناة إلى قناة يتم قياسه ليكون أقل من 10 ps.

الشكل 5: مخطط كتلة ساعة JESD204B متعدد القنوات بسرعة 15 جيجاهرتز

الشكل 6: ضوضاء المرحلة LMX2594 عند 15 جيجاهرتز

اعتمادًا على التكوين ، تدعم اللوحة ما يصل إلى محولي بيانات ومصفوفتي بوابة قابلة للبرمجة الميدانية (FPGAs) ، ويمكنها بسهولة استيعاب ما يصل إلى ستة محولات وساعة FPGA واحدة. ومع ذلك ، تتطلب العديد من الأنظمة المزيد من القنوات. لمثل هذه الحالات ، لدينا تصميم مرجعي لجيل الساعة JESD204B للرادار والاختبار اللاسلكي 5G وعداد القناة العالية JESD204B للتصميم المرجعي لساعة سلسلة Daisy للرادار و 5 G اللاسلكي يمكن الشكل 7) أو تشغيل الساعة في تكوين سلسلة ديزي. يمكنك استخدام هذه الأساليب لتوسيع نطاق آلاف القنوات بأقل تأثير على أداء النظام.

تصميم الطاقة

يتميز التصميم المرجعي التناظري متعدد القنوات 3.2-GSPS المذكور سابقًا بإمداد طاقة كامل ، بما في ذلك منظم DC / DC و LDO ، كما هو موضح في الشكل 8. يمكن تجاوز LDO في هذا التصميم باستخدام مرشح لاختبار الإمدادات الأكثر حساسية لتبديل الضوضاء. أكدت اختباراتنا أن تجاوز LDO لم يكن له أي تأثير على أداء التصميم ، وأظهر أيضًا فائدة إضافية تتمثل في زيادة كفاءة الطاقة.

تحتوي اللوحة على سلسلة من دبابيس الرأس على طول الجزء العلوي والتي تمكن التصميمات الجديدة من تجاوز حلول مزود الطاقة على متن الطائرة مثل التصميم المرجعي لإمداد الطاقة منخفض الضوضاء الذي يزيد من أداء نظام الحصول على بيانات 12.8GSPS (كما هو موضح في الشكل 9) ، كل DC يمكن مزامنة منظمات DC مع الساعة الرئيسية ، مما يسهل تصفية ضوضاء تحويل المحول. بالإضافة إلى ذلك ، يمكنك تحويل مرحلة الساعة إلى كل محول بحيث لا يتم تبديل جميع المحولات في نفس الوقت ، مما يقلل من طاقة التحويل الإجمالية. أخيرًا ، يكون محول DC / DC في التصميم المرجعي أكثر كفاءة ، مما يقلل من تبديد الطاقة الكلي على اللوحة. كما تم تصميمه في الأصل ، لا يزال من الممكن تجاوز LDO.

يعد اختيار محول البيانات الصحيح أحد التحديات التي تواجهك. بمجرد إجراء الاختيار ، يجب اختيار أفضل تصميم للساعة وإمدادات الطاقة حتى لا يؤدي ذلك إلى تدهور أداء محول البيانات باهظ الثمن.