Magia! Decymatory powielają wirtualne kanały przetwornika ADC

Pytanie:

Kupiłem dwukanałowy przetwornik ADC i skonfigurowałem decymatory. Teraz okazuje się, że otrzymałem 4 przetworniki! Czy występuje tu gdzieś przetwornik danych 2-do-1, o którym nie wiedziałem?

Odpowiedź:

Od momentu powstania pierwszych monolitycznych, krzemowych przetworników analogowo-cyfrowych (ADC) układy tego typu podążały za najnowszymi udoskonaleniami procesu technologicznego. Wcześniejsze przetworniki wykorzystywały bardzo proste układy cyfrowe, nie licząc korekcji błędów i cyfrowych sterowników. Obecnie natomiast można stworzyć tani przetwornik ADC z bardzo zaawansowanym przetwarzaniem cyfrowym. Nowa rodzina przetworników gigasamplowych (GSPS), zwanych również przetwornikami ADC RF powstała dzięki procesowi technologicznemu CMOS 65 nm i pozwala na integrację wielu cyfrowych funkcji przetwarzania, które usprawniają pracę takiego przetwornika.

Przy wysokich, gigasamplowych szybkościach mamy do czynienia z dużą przepustowością danych liczoną w bitach na sekundę. Wybrany dla przykładu układ AD9680 jest podwójnym 14-bitowym przetwornikiem o częstotliwościach próbkowania 1,25 GSPS, 1 GSPS, 720 MSPS lub 500 MSPS obsługującym standard JESD204B. Przyjmując maksymalną wartość 1,25 GSPS, otrzymujemy przepustowość:


Taka ilość wymagałaby wykorzystania ogromnej liczby linii LVDS w celu ekstrakcji wszystkich danych cyfrowych. Aby umożliwić implementację tak dużej przepustowości, został wykorzystany standard JEDS204B. Jest to protokół transmisji wysokiej szybkości wykorzystujący kodowanie 8b/10b i scrambling oraz inne rozwiązania w celu zapewnienia odpowiedniej integralności sygnału. Użycie standardu JESD204B oznacza, że całkowita przepustowość wynosi


Dzięki zastosowaniu standardu JESD204B dane można podzielić na cztery szybkie linie szeregowe, każda o przepustowości 12,5 Gb/s. W przypadku interfejsu LVDS, którego każda linia jest ograniczona do przepustowości około 1 Gb/s, oznaczałoby to ponad 28 par!

Rzut oka na kartę katalogową AD9680 pozwala zauważyć, że konfiguracja łącza jest skomplikowana. Wcześniejsze generacje przetworników ADC z interfejsem LVDS były łatwiejsze w implementacji, natomiast przetworniki JESD205B są bardziej złożone. Sytuacja komplikuje się jeszcze bardziej po uwzględnieniu konfiguracji cyfrowego decymatora (DDC). Konfiguracja przetwornika ADC jest określona główne przez trzy litery:

  • L – liczba linii na łącze JESD204B
  • M – liczba przetworników na łącze JESD204B
  • F – liczba oktetów w ramce danych w łączu JESD204B

Przykładowo, model AD9250 jest podwójnym 14-bitowym przetwornikiem analogowo-cyfrowym o szybkości 250 MSPS z interfejsem JESD204B. Rys. 1. przedstawia układ AD9250 w domyślnej konfiguracji.

Rys. 1. Konfiguracja AD9250

W tej konfiguracji łącze JESD204B (reprezentowane przez nadajnik JESD204B) działa w dość oczywisty sposób, ponieważ w układzie AD9250 nie jest wykonywane dodatkowe przetwarzanie. Kanał A odpowiada przetwornikowi 0 (M0), kanał B – przetwornikowi 1 (M1), a zatem wartość M wynosi 2. Kompletne równanie opisujące tą konfigurację to


Porównajmy tą sytuację z układem AD9680 pracującym z szybkością GSPS – jednak w tym przypadku dwa decymatory pracują w trybie kwadraturowym (I/Q). Rys. 2. pokazuje, gdzie znajdują się decymatory dzielące częstotliwość próbkowania 1 GSPS na 4. Otrzymana w wyniku tego częstotliwość próbkowania (FOUT) jest równa 250 MSPS.

Rys. 2. Konfiguracja AD9860-1000 z dwoma cyfrowymi decymatorami dzielącymi częstotliwość przez 4

Na rys. 2. widać wyraźnie, że układ AD9680 może efektywnie zmniejszyć częstotliwość próbkowania dzięki wbudowanym cyfrowym decymatorom. Ponieważ na każdym wyjściu DDC znajduje się strumień o rozdzielczości 16 bitów, nie ma już związku między fizycznymi strumieniami przetwornika a parametrem M związanym ze specyfikacją JESD204B. Zgodnie ze standardem M jest liczbą przetworników przypadających na strumień. W tym zmodyfikowanym przykładzie M staje się parametrem zwanym przetwornikiem wirtualnym. Choć układ AD9680 fizycznie ma tylko dwa kanały (A i B), tryb kwadraturowy decymatora generuje cztery różne 16-bitowe strumienie danych przekazywanym do interfejsu JESD204B. Z punktu widzenia tego interfejsu istnieją teraz 4 (wirtualne) przetworniki generujące strumienie bitów. Wobec tego M staje się równe 4, co oznacza zwielokrotnienie przetworników. W takim scenariuszu przepustowość linii na wyjściu staje się równa


Elastyczność interfejsu JESD204B dostępna w układzie AD9680 jest w tym scenariuszu bardzo widoczna. Dzięki niej otrzymujemy dwie możliwości w zależności od szybkości linii, jaką jest w stanie zaakceptować układ odbiorczy (specjalizowany lub FPGA). Tabela 1. przedstawia opcje dostępne dla interfejsu JSD204B w konfiguracji AD9680 przedstawionej na rys. 2.

Tabela 2. Przedstawia możliwe mapowania wirtualnych konwerterów w różnych konfiguracjach dla przetwornika ADC przetwornika wyposażonego w 4 cyfrowe decymatory, takiego jak AD9680.

 

 

 

 

O autorze

Umesh Jayamohan
Umesh Jayamohan jest inżynierem aplikacyjnym w grupie Analog Devices zajmującej się przetwornikami wysokiej szybkości. Pracuje w firmie od roku 2010. Umesh uzyskał licencjat na uniwersytecie Kerala w Indiach w roku 1998 i dyplom magistra na uniwersytecie w Arizonie w roku 2002.