Die Abtastrate von A/D-Wandlern durch Dezimation verringern

| Autor / Redakteur: Ian Beavers * / Kristin Rinortner

(Bild: Sabina Ehnert)

Durch Überabtastung und Dezimation kann bei der A/D-Wandlung der Aufwand für die Anti-Alias-Filterung vom Analogen ins Digitale verschoben werden. Was bringen hier GSPS-A/D-Wandler mit DDC?

Breitband-GSPS-A/D-Wandler bieten ein großes Frequenzspektrum sowie eine hohe Leistungsfähigkeit in High-Speed-Datenerfassungssystemen. Während für einige Anwendungen eine breitbandige Eingangsstufe erforderlich ist, müssen andere Systeme Signale für ein schmaleres Spektrum filtern und abstimmen können.

Ein A/D-Wandler ist nicht effizient, wenn er Energie zum Abtasten, zur Verarbeitung und Übertragung eines Breitbandspektrums verbraucht, wenn nur ein schmales Band benötigt wird.

Bild 1: Prinzip der Frequenzübersetzung im A/D-Wandler mit digitaler Abwärtswandlung und numerisch gesteuertem Oszillator.
Bild 1: Prinzip der Frequenzübersetzung im A/D-Wandler mit digitaler Abwärtswandlung und numerisch gesteuertem Oszillator. (Bild: Analog Devices)

FPGA-Transceiver, die bisher zur Dezimation und Filterung der Breitbanddaten in der nachfolgenden Verarbeitung erforderlich waren, lassen sich einsparen, da hochleistungsfähige GSPS-A/D-Wandler eine digitale Abwärtswandlung (DDC) enthalten. Dies minimiert die Datenrate und vereinfacht das System-Layout, da weniger JESD204B-Ausgangsleitungen notwendig sind.

Mittels Dezimation lässt sich ein periodischer Teil der ADC-Samples beobachten, während der Rest ignoriert wird. Dies reduziert die Abtastrate des A/D-Wandlers. Zum Beispiel gibt eine Dezimation um M die ersten M-Samples in jeder Periode aus, während alle anderen Samples zwischen M-Vielfachen unberücksichtigt bleiben.

Der A/D-Wandler muss einen numerisch gesteuerten Oszillator (NCO) sowie eine Filter-und-Mischer-Komponente enthalten, die gemeinsam mit der Dezimationsfunktion verwendet werden. Eine digitale Filterung entfernt das Out-of-Band-Rauschen aus der eng definierten Bandbreite, die durch das Dezimierungsverhältnis bestimmt wird.

Ein digitales Tuning-Wort für einen NCO, eingesetzt als Lokaloszillator (LO), stellt einen fraktionierten Teiler der Abtastrate zur Verfügung. Die Platzierungsgenauigkeit wird durch die Auflösung (Bit-Zahl) bestimmt. Das Tuning-Wort offeriert den Bereich und die Auflösung, um den Filter dort im Spektrum zu platzieren, wo er gebraucht wird.

Das Durchlassband des Filters sollte nach der Dezimation zum effektiven Frequenzspektrum des Wandlers passen. Ein entscheidender Vorteil beim Einsatz von DDCs ist die Möglichkeit, die Harmonischen des Grundsignals so anzuordnen, dass sie außerhalb des Nutzsignals liegen.

Digitale Filterung durch digitale Abwärtswandlung filtert das Rauschen außerhalb einer kleineren Bandbreite. In die SNR-Berechnung eines idealen A/D-Wandlers muss die Verarbeitungsverstärkung (Processing Gain, PG) des gefilterten Rauschens einbezogen werden. Bei einem perfekten Digitalfilter erhöht sich die Verarbeitungsverstärkung aufgrund des gefilterten Rauschens um 3 dB für jede Reduzierung der Bandbreite zur Basis zwei:

SNRideal (mit PG) = 6,02 × N + 1,76 dB + 10 × log10 [fS/(2 × BW)]

Durch Frequenzübersetzung mit einem Tiefpassfilter und einem NCO lässt sich ein Bandpassfilter bilden. Frequenzplanung stellt sicher, dass unerwünschte Harmonische und Störungen außerhalb des Bandes liegen.

* Ian Beavers ist Ingenieur in der Gruppe Digital Video Processing bei Analog Devices in Greensboro / USA.

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