Gut gegrillt
D/A-Wandler für Direktumwandlung in Mikrowellen-Frequenzen
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Erwartungen an einen Mikrowellen-D/A-Wandler
Die Herausforderung für die Designer besteht darin, das Einsatzgebiet des D/A-Wandlers bis in diese höheren Nyquist-Zonen hinein auszudehnen. Für die Designer des Basisband-Systems geht es hierbei um die Entwicklung von Techniken, die verhindern, dass das aufwärtsgewandelte Signal durch die Nyquist-Frequenz des digitalen Verarbeitungssystems (FPGA oder DSP) eingeschränkt wird. Zu den hierfür relevanten Entwicklungen gehören Polyphasen-Filter mit mehreren digitalen Oszillatorblöcken, die alle auf eine andere Phase eingestellt sind.
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So sind Basisband-Techniken in der Lage, mit den Entwicklungen im Wandler Schritt zu halten. Weitere Entwicklungen sind neue Codierungsarten, welche die Performance in die höheren Nyquist-Zonen ausdehnen.
Bild 3 verdeutlicht, wie sich die Verwendung verschiedener Codierungsverfahren auf das Verhalten auswirkt. Darunter sind neben NRZ auch RTZ (Return To Zero) und ein HF-Modus, bei dem jede Signalprobe gegenüber dem Vorgänger invertiert wird. Darüber hinaus hat sich erwiesen, dass der NRTZ-Modus (Narrow Return to Zero) extrem gute Ergebnisse in der ersten und zweiten Nyquist-Zone erzielt.
Nachfolgend sind die kritischen Parameter dieser für die direkte Mikrowellen-Synthese aufgezählt:
- Bandbreite: Die Bandbreite des Bausteins sollte größer als 5 GHz sein, um auch in der dritten und vierten Nyquist-Zone arbeiten zu können.
- Flachheit: Eine Flachheit von besser als 0,5 dB über den gesamten Bereich ist in I/Q-Applikationen wichtig.
- Störungsfreier Dynamikbereich (SFDR): Die Erzeugung störender Oberwellen sollte in einigen Fällen auf besser als 70 dBc begrenzt werden.
- Taktbedingte Oberwellen: Jegliche taktbedingte Oberwellen (fc, fc/2, fc/4) müssen auf besser als 80 dB eingedämmt werden.
- Aktualisierungsrate: Je höher die Aktualisierungsrate, umso größer sind die Nyquist-Zonen. In Anwendungen, die die dritte Nyquist-Zone (und darüber) nutzen, sollte dabei jedoch die Bandbreite des Bausteins beachtet werden.
- Eigenrauschen: Für das Eigenrauschen müssen bei GSM-Systemen Werte von mindestens 150 dBm/Hz erzielt werden.
Da die analoge Videoübertragung unterstützt werden muss, ist die DOCSIS-Spezifikation besonders anspruchsvoll und erfordert eine Nachbarkanalleistung von besser als –73 dBc. Bild 4 zeigt ein Beispiel der für DOCSIS verwendeten 128-QAM-Modulation.
GPON- und ATE-Applikationen
GPON-Systeme (Gigabit Passive Optical Network) für die Lichtwellenleiter-Kommunikation mit 16-QAM-Technik, Polarisationsmultiplexing und vier Bändern sind auf Datenwandler mit Abtastraten im Bereich von 3 GS/s, einem Dynamikbereich von 10 Bit und hoher Linearität angewiesen. Die Hersteller von automatischen Prüfsystemen (Automatic Test Equipment – ATE) stehen vor der Herausforderung, Software-definierte Signalgeneratoren zu entwerfen, die dem jeweiligen Prüfling in ihrer Leistung weit überlegen sind.
Insbesondere müssen Speicherprüfsysteme Stimulus-Signale mit einer komplexen Vielfalt an Anstiegs- und Abfallzeiten sowie verschiedenen Spannungspegeln für High- und Low-Zustände generieren.
HF-Tester müssen komplexe UWB-Muster mit Mittenfrequenzen im hohen GHz-Bereich generieren. Häufig sind es die verwendeten D/A-Wandler, die der Leistungsfähigkeit derartiger Tester Grenzen setzen. Die Sprungantwort sollte zum Testen der neuesten Halbleiter-Bauelemente kleiner als 60 ps sein, was Bandbreiten nahe 6 GHz bedingt.
Militärische EW-Systeme (Electronic Warfare) müssen ein breites Spektrum komplexer HF-Signale über große Momentan-Bandbreiten erzeugen, die über 1 GHz betragen und im Mikrowellenbereich angesiedelt sein können. Designer solcher Systeme sind ständig auf der Suche nach D/A-Wandlern, die nicht nur Nyquist-Zonen von mehr als 1 GHz bieten, sondern in diesen großen Momentanbandbreiten auch einen sehr flachen Frequenzgang aufweisen und diese Signale mit einer im Mikrowellenbereich angesiedelten Mittenfrequenz erzeugen.
Gute SFDR-Eigenschaften sind unerlässlich zum besseren Aufspüren von Störsendern. Auf der Wunschliste der Designer militärischer EW-Systeme steht auch eine möglichst kurze Latenz: Weniger als vier Taktzyklen sind hier ideal.
Der Autor:
Andrew Glascott-Jones ist Applikationsingenieur im Geschäftsbereich High-Reliability Semiconductors (HRS) bei e2v in Grenoble, Frankreich. Dort ist er zuständig für die Entwicklung von Demo-Kits, mit welchen e2v seine Kunden bei der Prototyp-Entwicklung unterstützt. Zudem ist er im Bereich Applikationsunterstützung tätig. Er verfügt über 27-jährige Erfahrung in der Entwicklung von elektronischen Systemen für die Präzisionsmesstechnik, die militärische Funkkommunikation sowie sichere Weitverkehrsnetzwerke, Röntgenverfahren und die Laser-Spektroskopie.
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