Pri generiranju hitrih signalov sta pasovna širina in resolucija kritični zahtevi. Sodobni signalni generatorji uporabljajo hitre digitalno-analogne (D/A) pretvornike, s katerimi generirajo različne valovne oblike signalov – od enotonskih do kompleksnih večkanalnih oblik signalov frekvence nekaj 100 MHz.
Te aplikacije zahtevajo D/A pretvornike, ki so dovolj hitri, da generirajo te oblike brez žrtvovanja analognih lastnosti. V velikem številu signalnih generatorjev bo fazni šum predstavljal omejitev glede števila kanalov in razmik med kanali. Fazni šum je tradicionalno določen s taktom, ki poganja D/A pretvornik. Vendar pa kateri koli fazni šum, ki ga doda D/A pretvornik, se bo pojavil na izhodnem spektru in zato lahko to predstavlja omejitev za signale, ki bi jih bilo možno generirati. Idealni D/A pretvornik za splošno generiranje signalov mora biti čim hitrejši, imeti nizek šum, visoko linearnost in zelo nizek fazni šum. Če ena od navedenih lastnosti ne ustreza, potem generiran signal ne bo ustrezen glede na potrebe.
Pasovna širina
V vsakem generiranju signalov je najbolj pomembna pasovna širina. Prvo vprašanje, ki se ga bo razvojni inženir vprašal je: koliko pasovne širine potrebujem za generiranje želenega signala? Načrtovalec morda potrebuje določeno pasovno širino za nek signalni protokol ali za neko aplikacijo. Pasovna širina, ki jo načrtovalec želi doseči lahko dosežemo z D/A pretvornikom, ki je vsaj dvakrat hitrejši od zahtevane pasovne širine. To povezavo med pasovno širino in hitrostjo zajemanja (fs) je definiral Harry Nyquist in opisuje, kako se signali obnašajo v sistemih za zajemanje.
Čeprav bi bilo mogoče generirati signal, ki se razprostira od 0 Hz do fs/2, to ni posebej praktično zaradi zrcalnih frekvenc, ki se pojavijo v izhodnem spektru. Zrcalne frekvence se pojavijo na N*fs +/- fout (kjer fout predstavlja frekvenco generiranega signala). V praksi potrebujemo izhodne filtre z namenom dušenja zrcalnih frekvenc, ki bi se pojavile v izhodnem spektru. Tudi če izhodni signal ne sega do fs/2 ampak se mu približa, bo zrcalne frekvence težko odstraniti zaradi omejitev filtra. Izhodni filter je narejen v analognem svetu z realnimi komponentami. Za razliko od digitalnih filtrov uporabljene komponente niso idealne, zaradi česar tudi niso idealne prenosne karakteristike, valovitost in slabljenje. Generalno rečeno, filtri višje stopnje vnašajo več slabljenja in valovitosti, zaradi česar je težko načrtovati idealen filter. Čim bližje je pasovna širina vrednosti fs/2, bolj pomembno je, da moramo uporabiti filtre višjega reda, da zadušijo zrcalne frekvence, ki so se pojavile med procesom vzorčenja. Filter višjega reda zahteva več komponent in bo imel več izgub ter večjo valovitost.
Z uporabo D/A pretvornika z višjo frekvenco vzorčenja se bo uporabna pasovna širina povečala, zaradi česar bo tudi lažje načrtovanje izhodnega filtra. Zato bo izhodni filter imel manj komponent in bo manj kompleksen, kar olajša načrtovanje in prinese boljše rezultate. LTC2000, ki je vrhunski 16-bit 2,5Gsps hitri D/A pretvornik na primer ima hitrost vzorčenja 2,5 Gsps, zato fs/2 znaša 1,25 GHz. Zato se bo za pasovno širino 800 MHz zrcalna frekvenca pojavila pri 1,7 GHz. Torej bo 900 MHz med želenim frekvenčnim področjem in zrcalno frekvenco. Pri frekvenčnem pasu 900 MHz lahko uporabimo enostaven nizkoprepustni filter. D/A pretvornik z nižjo frekvenco vzorčenja bo imel zrcalne frekvence, ki so bližje želeni frekvenci, kar bo zahtevalo bolj agresivne in kompleksne filtre.
Naslednja težava pri generiranju signala, ki se razteza do fs/2 je ta, da s katerim koli D/A pretvornikom obstaja tudi SINC (sin(x)/x) strmina, ki bo dušila generiran signal pri višjih frekvencah. Ta strmina ima ničlo pri fs/2, zaradi česar je nemogoče generirati signal, ki se pojavi natančno pri vzorčni frekvenci; rezultat bi bil enosmerni signal. Za praktično uporabo približno 60% Nyquistove zone (DC do fs/2) lahko uporabimo brez večjega SINC dušenja. V kolikor je nivo 0dB pri enosmernem signalu, potem bi 60% od Nyquista pomenilo 6dB slabljenja. Inverzna vrednost strmine je večkrat implementirana v digitalnem svetu, ki popravi naravno strmino generiranega signala. To D/A pretvorniku omogoči generiranje signalov s konstantno amplitudo preko celotnega frekvenčnega območja. Z uporabo hitrega D/A pretvornika bo zmanjšana strmina SINC funkcije pri naraščanju izhodne frekvence D/A pretvornika.
Kritične zahteve v aplikacijah pri generiranju hitrih signalov
Linear Technology
2016_SE245_15
