Gdzie się podziały moje decybele?

promo2

Pytanie:

Konfiguruję generator arbitralny, aby wytwarzał sygnał o określonej mocy. Z moich obliczeń wynika, że powinien dawać sygnał o poziomie -1 dBFS na przetworniku analogowo-cyfrowym  Jednak widzę wartość -15 dBFS! Gdzie się podziały moje decybele?

Odpowiedź:

Dość często przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC) nominalnie zapewnia poziom -1 dBFS (w stosunku do zakresu skali). Niektóre karty katalogowe podają, że przekroczenie 0,5 dB poniżej pełnego zakresu skali może prowadzić do zniekształceń. Ograniczenie 1,0 lub 0,5 dB poniżej pełnego zakresu skali ma zapobiec przesterowaniu sygnału, które mogłoby wystąpić pzy wysterowaniu wejścia ADC sygnałem w pełnym zakresie (0 dBFS). Przenośne generatory sygnałów o częstotliwościach radiowych zazwyczaj wytwarzają sygnały o wartości wyrażonej w dBm (w stosunku do miliwata). Aby uzyskać poziom -1 dBFS na przetworniku o maksymalnej wartości międzyszczytowej 1,7 V, potrzebny będzie sygnał o wartości 7,6 dBm (przy założeniu, że impedancja wynosi 50 Ω). Jednak w takim wypadku analizator FFT podłączony do przetwornika pokazuje pojedynczą składową na poziomie -6,7 dBFS. Gdzie się podziały te decybele?

Odpowiedź jest prosta – to przetwornik ADC, a dokładniej jego układy wejściowe. Przyjrzyjmy się bliżej  przykładowemu obwodowi wejściowemu dla modelu AD9680.

Rys. 1. Obwód wejściowy na płytce ewaluacyjnej układu AD9680
Rys. 1. Obwód wejściowy na płytce ewaluacyjnej układu AD9680

Konwersja sygnału niesymetrycznego na różnicowy odbywa się z wykorzystaniem szerokopasmowego symetryzatora BAL-0006SMG. W karcie katalogowej tego układu można łatwo znaleźć informację, że wnosi on straty 6 dB. Obwód dopasowujący za symetryzatorem (Rs oraz Rsh) dodaje kolejne 6 dB. Ten obwód jest jednak niezbędny, aby dopasować resztę systemu do wyjścia symetryzatora w szerokim zakresie pasma. Niewielkie straty powstają również w szeregowej rezystancji przed przetwornikiem (Rkb). Ten opornik pozwala zredukować trzecią harmoniczną, zmniejszając zaburzenia pochodzące od stopnia sampe-and-hold przetwornika.

Prześledźmy zatem ścieżkę sygnału od wejścia przetwornika, aby zobaczyć, jaka moc generatora jest faktycznie potrzebna, aby uzyskać sygnał o poziomie -1 dBFS na przetworniku. Do obliczeń została wykorzystana referencyjna wartość impedancji 50 Ω. Dla przetwornika o zakresie międzyszczytowym 1,7 V sygnał o poziomie -1 dBFS będzie miał amplitudę międzyszczytową 1,515 V. Ponieważ straty na oporniku 10 Ω będą dość niskie, możemy założyć, że napięcie o takiej wartości pojawi się na wyjściu sieci terminującej. Straty na symetryzatorze wynoszą 6 dB, zatem zmiana napięcia na każdym z zacisków symetryzatora powinna być mniej więcej dwukrotnością 1,515 V. To oznacza sygnał niesymetryczny o wartości międzyszczytowej około 3,03 V, czyli około 14 dBm. Trzeba pamiętać, że ten rachunek nie uwzględnia strat wnoszonych przez filtr pasmowy lub łączące kable. Po naniesieniu tych informacji na rysunek 1, otrzymujemy rysunek 2:

Rys. 2. Obwód wejściowy z filtrem pasmowym oraz generatorem sygnału
Rys. 2. Obwód wejściowy z filtrem pasmowym oraz generatorem sygnału

Wracając do początkowego pytania, moglibyśmy udzielić odpowiedzi: Potrzebny jest sygnał 7,6 dB, aby uzyskać poziom -1 dBFS na wejściu przetwornika – jeśli przed przetwornikiem nie ma nic poza generatorem sygnału. Jednak gdy uwzględnimy inne elementy, takie jak szerokopasmowy symetryzator, obwód dopasowujący, tłumienie zniekształceń itp., okazuje się, że wszystkie one powodują straty – tłumienie na poziomie -6,7 dBFS. Możemy zatem z pewnością stwierdzić, że wszystkie decybele zostały stracone w układach wejściowych.

Matematyka nigdy nie kłamie. Poniżej znajduje się kilka przydatnych wzorów:

qqqqq

Vin to napięcie wejściowe, a Vfs – zakres skali napięcia.

aaa

Vrms to wartość średniokwadratowa napięcia, a Vp-p – wartość międzyszczytowa.

gggg

PdBm jest mocą generatora sygnału w dBm, Vrms jest wartością średniokwadratową napięcia, R to impedancja systemu (w tym przypadku 50 Ω), moc P0 jest równa 1 mW.

 

O autorze