Gdzie się podziały moje decybele?

Pytanie:

Konfiguruję generator sygnału w trybie CW tone o określonej mocy. Z moich obliczeń wynika, że powinien dawać sygnał o poziomie -1 dBFS na przetworniku analogowo-cyfrowym. Jednak praktycznie widzę wartość -15 dBFS! Gdzie się podziały moje decybele?

Odpowiedź:

Dość często wydajność przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC) jest okreslana jako -1 dBFS. Niektóre karty katalogowe określają zniekształcenie na poziomie 0,5 dB poniżej pełnego zakresu skali. Niezależnie od tego, czy jest to 1,0 lub 0,5 dB poniżej pełnej skali, odbywa się to tak, aby zapobiec przycinaniu sygnału, jeśli uruchomiono wejścia ADC  w pełnym zakresie (0 dBFS). Przenośne generatory sygnałów o częstotliwościach radiowych zazwyczaj wytwarzają sygnały o wartości wyrażonej w dBm (moc w dB w stosunku do 1 miliwata). Aby uzyskać poziom -1 dBFS dla pełnej skali przetwarzania przetwornika 1,7 V p-p, generator powinien generować sygnał na poziomie 7,6 dBm (przy 50 Ohmowej impedancji odniesienia. Jednak kiedy tak zrobisz, analizator FFT podłączony do przetwornika wskaże pojedynczą składową na poziomie -6,7 dBFS. Gdzie się podziały te wszystkie decybele?

Odpowiedź jest prosta – to przetwornik ADC, a do­kładniej jego obwody wejściowe. Przyjrzyjmy się bliżej przykładowemu obwodowi wejściowemu dla przetwornika 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 stratę rzędu 6 dB. Obwód dopasowujący za symetryzatorem (Rs oraz Rsh) dodaje kolejną stratę 6 dB. Ten obwód jest jednak niezbędny, aby zapewnić szerokopasmowe dopasowanie reszty systemu do wyjścia symetryzatora. Niewielkie straty powstają również w szeregowej rezystancji (Rkb) na wejściu ADC. Ten opornik pomaga w poprawie wydajności trzeciej harmonicznej poprzez zmniejszenie efektu odbicia sygnału pochodzące od stopnia próbkująco – pamiętającego przetwornika.

Prześledźmy zatem ścieżkę sygnału przed wejściem do przetwornika, aby zobaczyć, jaka moc wyjściowa generatora sygnału jest faktycznie potrzebna, aby uzyskać sygnał o poziomie -1 dBFS na przetworniku. Do obliczeń została wykorzystana referencyjna wartość impedancji 50 Ohm. 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 zakres zmian napięcia na zaciskach wyjściowych symetryzatora powinien być mniej więcej dwukrotnością 1,515 V. To wymusza sygnał na wejściu niesymetrycznym o wartości międzyszczytowej około 3,03 V. Dlatego generator musi dostarczyć sygnał, który odpowiada około 3.03 V p-p czyli w przybliżeniu 14 dBm. Należy pamiętać, że ten rachunek nie uwzględnia strat wnoszonych przez filtr pasmowy i/lub kable połączeniowe. 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 dBm, 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