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Como a porta de entrada entre o domínio analógico do "mundo real" e o mundo digital composto de 1s e 0s, os conversores de dados são um dos elementos-chave no processamento de sinal moderno. Nos últimos 30 anos, um grande número de tecnologias inovadoras surgiu no campo da conversão de dados. Essas tecnologias não só impulsionaram as melhorias de desempenho e avanços arquitetônicos em vários campos, de imagens médicas a comunicações celulares, a áudio e vídeo de consumo, mas também desempenharam um papel na realização de novas aplicações. Papel importante.
A expansão contínua das comunicações de banda larga e aplicativos de imagem de alto desempenho destaca a importância especial da conversão de dados em alta velocidade: O conversor deve ser capaz de lidar com sinais com uma largura de banda que varia de 10 MHz a 1 GHz. As pessoas alcançam essas velocidades mais altas por meio de uma variedade de arquiteturas de conversor, cada uma com suas próprias vantagens. Alternar entre os domínios analógico e digital em altas velocidades também apresenta alguns desafios especiais para a integridade do sinal - não apenas sinais analógicos, mas também sinais de clock e dados. Entender essas questões não é importante apenas para a seleção de componentes, mas também afeta a escolha geral da arquitetura do sistema.
1. Mais rápido
Em muitos campos técnicos, estamos acostumados a associar o progresso tecnológico a velocidades mais altas: De Ethernet a redes locais sem fio e redes móveis celulares, a essência da comunicação de dados é aumentar continuamente a taxa de transmissão de dados. Por meio de avanços nas taxas de clock, microprocessadores, processadores de sinais digitais e FPGAs se desenvolveram rapidamente. Esses dispositivos se beneficiam principalmente do tamanho reduzido do processo de gravação, resultando em velocidades de chaveamento mais rápidas, transistores de tamanho menor (e menor consumo de energia). Esses avanços criaram um ambiente em que a capacidade de processamento e a largura de banda de dados aumentaram exponencialmente. Esses poderosos mecanismos digitais trouxeram o mesmo crescimento exponencial nos requisitos de processamento de dados e sinais: de imagens estáticas a vídeo, largura de banda e espectro, seja com fio ou sem fio. Um processador operando a uma taxa de clock de 100 MHz pode ser capaz de processar efetivamente sinais com uma largura de banda de 1 MHz a 10 MHz: um processador operando a uma taxa de clock de vários GHz pode processar sinais com uma largura de banda de centenas de MHz.
Naturalmente, um poder de processamento mais forte e uma taxa de processamento mais alta levarão a uma conversão de dados mais rápida: os sinais de banda larga expandem sua largura de banda (muitas vezes atingindo os limites do espectro definido por agências físicas ou regulatórias), e os sistemas de imagem procuram aumentar a capacidade de processamento de pixels por segundo Para processar imagens de alta resolução com mais rapidez. A arquitetura do sistema foi inovada para aproveitar esse desempenho de processamento extremamente alto, e também houve uma tendência de processamento paralelo, o que pode significar a necessidade de conversores de dados multicanais.
Outra mudança importante na arquitetura é a tendência para sistemas multi-portadores / multicanais e até mesmo sistemas definidos por software. Os sistemas intensivos de analógico tradicionais completam muito trabalho de condicionamento de sinal (filtragem, amplificação, conversão de frequência) no domínio analógico; após preparação adequada, o sinal é digitalizado. Um exemplo é a transmissão FM: a largura do canal de uma determinada estação é geralmente de 200 kHz, e a banda FM varia de 88 MHz a 108 MHz. O receptor tradicional converte a frequência da estação alvo em uma frequência intermediária de 10.7 MHz, filtra todos os outros canais e amplifica o sinal para a melhor amplitude de demodulação. A arquitetura multiportadora digitaliza toda a banda de frequência FM de 20 MHz e usa tecnologia de processamento digital para selecionar e restaurar estações-alvo. Embora o esquema de múltiplas portadoras exija um circuito muito mais complicado, ele tem grandes vantagens de sistema: o sistema pode recuperar várias estações ao mesmo tempo, incluindo estações de banda lateral. Se adequadamente projetados, os sistemas multiportadoras podem até ser reconfigurados por meio de software para suportar novos padrões (por exemplo, novas estações de rádio de alta definição alocadas em bandas laterais de rádio). O objetivo final dessa abordagem é usar um digitalizador de banda larga que pode acomodar todas as bandas de frequência e um processador poderoso que pode recuperar qualquer sinal: este é o chamado rádio definido por software. Existem arquiteturas equivalentes em outros campos - instrumentação definida por software, câmera definida por software, etc. Podemos pensar nisso como equivalentes de processamento de sinal virtualizado. O que torna possíveis arquiteturas flexíveis como essa é a poderosa tecnologia de processamento digital e a tecnologia de conversão de dados de alta velocidade e alto desempenho.
2. Largura de banda e faixa dinâmica
Quer seja processamento de sinal analógico ou digital, suas dimensões básicas são largura de banda e faixa dinâmica - esses dois fatores determinam a quantidade de informações que o sistema pode realmente processar. No campo da comunicação, a teoria de Claude Shannon usa essas duas dimensões para descrever os limites teóricos básicos da quantidade de informação que um canal de comunicação pode transportar, mas seus princípios são aplicáveis a muitos campos. Para sistemas de imagem, a largura de banda determina o número de pixels que podem ser processados em um determinado momento, e a faixa dinâmica determina a intensidade ou faixa de cor entre a fonte de luz perceptível mais escura e o ponto de saturação do pixel.
A largura de banda utilizável do conversor de dados tem um limite teórico básico definido pela teoria de amostragem de Nyquist - para representar ou processar um sinal com uma largura de banda de F, precisamos usar um conversor de dados com uma taxa de amostragem operacional de pelo menos 2 F (observe que esta regra se aplica a qualquer sistema de dados de amostragem - analógico e digital). Para sistemas reais, uma certa quantidade de sobreamostragem pode simplificar muito o projeto do sistema, então um valor mais típico é 2.5 a 3 vezes a largura de banda do sinal. Como mencionado anteriormente, aumentar a potência de processamento pode melhorar a capacidade do sistema de lidar com larguras de banda maiores, e sistemas como telefones celulares, sistemas a cabo, redes locais com e sem fio, processamento de imagem e instrumentação estão todos se movendo em direção a sistemas de largura de banda maior. Este aumento contínuo nos requisitos de largura de banda requer conversores de dados com taxas de amostragem mais altas.
Se a dimensão da largura de banda for intuitiva e fácil de entender, a dimensão da faixa dinâmica pode ser um pouco obscura. No processamento de sinal, a faixa dinâmica representa a faixa de distribuição entre o maior sinal que o sistema pode manipular sem saturação ou corte e o menor sinal que o sistema pode capturar efetivamente. Podemos considerar dois tipos de faixa dinâmica: a faixa dinâmica configurável pode ser alcançada colocando um amplificador de ganho programável (PGA) antes do conversor analógico-digital (ADC) de baixa resolução (assumindo que para uma faixa dinâmica configurável de 12 bits , em um Coloque um PGA de 4 bits antes do conversor de 8 bits): Quando o ganho é definido com um valor baixo, esta configuração pode capturar sinais grandes sem exceder a faixa do conversor. Quando o sinal é muito pequeno, o PGA pode ser configurado para alto ganho para amplificar o sinal acima do piso de ruído do conversor. O sinal pode ser uma estação forte ou fraca, ou pode ser um pixel claro ou escuro no sistema de imagem. Para arquiteturas de processamento de sinal tradicionais que tentam recuperar apenas um sinal de cada vez, essa faixa dinâmica configurável pode ser muito eficaz.
A faixa dinâmica instantânea é mais poderosa: nesta configuração, o sistema tem faixa dinâmica suficiente para capturar grandes sinais ao mesmo tempo sem cortes, enquanto também recupera pequenos sinais - agora, podemos precisar de um conversor de 14 bits. Este princípio é adequado para muitas aplicações - restaurar sinais de rádio fortes ou fracos, restaurar sinais de telefones celulares ou restaurar partes superclara e superescuras de uma imagem. Embora o sistema tenda a usar algoritmos de processamento de sinal mais complexos, a demanda por faixa dinâmica também vai aumentar. Nesse caso, o sistema pode processar mais sinais - se todos os sinais tiverem a mesma intensidade e precisarem processar o dobro do sinal, você precisará aumentar a faixa dinâmica em 3 dB (em todas as outras condições sendo iguais). Talvez mais importante, como mencionado anteriormente, se o sistema precisa lidar com sinais fortes e fracos ao mesmo tempo, os requisitos incrementais para faixa dinâmica podem ser muito maiores.
3. Diferentes medidas de faixa dinâmica
No processamento de sinal digital, o parâmetro-chave da faixa dinâmica é o número de bits na representação do sinal, ou comprimento da palavra: a faixa dinâmica de um processador de 32 bits é maior do que a de um processador de 16 bits. Sinais muito grandes serão cortados - esta é uma operação altamente não linear que destruirá a integridade da maioria dos sinais. Sinais muito pequenos - menos de 1 LSB de amplitude - se tornarão indetectáveis e perdidos. Essa resolução limitada é freqüentemente chamada de erro de quantização ou ruído de quantização e pode ser um fator importante no estabelecimento do limite inferior de detectabilidade.
O ruído de quantização também é um fator em um sistema de sinal misto, mas existem vários fatores que determinam a faixa dinâmica utilizável do conversor de dados, e cada fator tem sua própria faixa dinâmica
Relação sinal-ruído (SNR) —— A relação entre a escala completa do conversor e o ruído total da banda de frequência. Este ruído pode vir de ruído de quantização (conforme descrito acima), ruído térmico (presente em todos os sistemas reais) ou outros termos de erro (como jitter).
Não linearidade estática - não linearidade diferencial (DNL) e não linearidade integral (INL) - uma medida do grau não ideal da função de transferência DC da entrada para a saída do conversor de dados (DNL geralmente determina a dinâmica da faixa do sistema de imagem).
distorção harmônica total - não linearidade estática e dinâmica produzirá harmônicos, que podem efetivamente proteger outros sinais. O THD geralmente limita a faixa dinâmica efetiva de um sistema de áudio.
Spurious Free Dynamic Range (SFDR) —Considerando os estímulos espectrais mais altos em relação ao sinal de entrada, seja o segundo ou terceiro feedthrough do clock harmônico, ou mesmo um ruído "zumbido" de 60 Hz. Uma vez que tons de espectro ou spurs podem proteger pequenos sinais, SFDR é um bom indicador da faixa dinâmica disponível em muitos sistemas de comunicação.
Existem outras especificações técnicas - na verdade, cada aplicação pode ter seu próprio método de descrição de faixa dinâmica eficaz. No início, a resolução do conversor de dados é um bom proxy para sua faixa dinâmica, mas é muito importante escolher as especificações técnicas corretas ao tomar uma decisão real. O princípio fundamental é que mais é melhor. Embora muitos sistemas possam perceber imediatamente a necessidade de maior largura de banda de processamento de sinal, a necessidade de faixa dinâmica pode não ser tão intuitiva, mesmo se os requisitos forem mais exigentes.
É importante notar que embora a largura de banda e a faixa dinâmica sejam as duas principais dimensões do processamento de sinais, é necessário considerar a terceira dimensão, a eficiência: Isso nos ajuda a responder à pergunta: "Para obter desempenho adicional, preciso custo?" Podemos analisar o custo a partir do preço de compra, mas para conversores de dados e outras aplicações de processamento eletrônico de sinais, uma medida técnica mais pura de custo é o consumo de energia. Sistemas de alto desempenho - maior largura de banda ou faixa dinâmica - tendem a consumir mais energia. Com o avanço da tecnologia, todos tentamos reduzir o consumo de energia e, ao mesmo tempo, aumentar a largura de banda e a faixa dinâmica.
4. Aplicação principal
Conforme mencionado anteriormente, cada aplicativo tem requisitos diferentes em termos de dimensões básicas do sinal e, em um determinado aplicativo, pode haver muitos desempenhos diferentes. Por exemplo, uma câmera de 1 milhão de pixels e uma câmera de 10 milhões de pixels. A Figura 4 mostra a largura de banda e a faixa dinâmica geralmente necessária para alguns aplicativos diferentes. A parte superior da figura é geralmente referida como conversores de alta velocidade com uma taxa de amostragem de 25 MHz ou superior que podem lidar efetivamente com larguras de banda de 10 MHz ou acima.
Deve-se observar que o diagrama do aplicativo não é estático. Os aplicativos existentes podem usar novas tecnologias de alto desempenho para aprimorar suas funções - por exemplo, câmeras de alta definição ou equipamentos de ultra-som 3D de alta resolução. Além disso, novos aplicativos surgirão a cada ano - uma grande parte dos novos aplicativos estará no limite externo do limite de desempenho: graças à nova combinação de alta velocidade e alta resolução. Como resultado, a margem de desempenho do conversor continua a se expandir, assim como as ondulações em uma lagoa.
Também deve ser lembrado que a maioria dos aplicativos precisa prestar atenção ao consumo de energia: para aplicativos portáteis / alimentados por bateria, o consumo de energia pode ser a principal limitação técnica, mas mesmo para sistemas alimentados por linha, estamos começando a descobrir que os componentes de processamento de sinal (analógico, seja digital ou não) o consumo de energia acabará por limitar o desempenho do sistema em uma determinada área física
5. Tendências de desenvolvimento tecnológico e inovações - como alcançar ...
Dado que esses aplicativos continuam a aumentar os requisitos de desempenho dos conversores de dados de alta velocidade, a indústria respondeu a isso com contínuo avanço tecnológico. A tecnologia empurra conversores de dados de alta velocidade avançados dos seguintes fatores:
Tecnologia de processo: Lei de Moore e conversores de dados - O avanço contínuo do desempenho de processamento digital da indústria de semicondutores é óbvio para todos. O principal fator é o enorme progresso feito na tecnologia de processamento de wafer em direção a processos de litografia de pitch mais fino. A taxa de chaveamento de transistores CMOS submicrônicos profundos excede em muito a de seus predecessores, trazendo as taxas de clock de operação de controladores, processadores digitais e FPGAs para vários passos de GHz. Circuitos de sinais mistos, como conversores de dados, também podem tirar proveito desses avanços no processo de gravação para atingir velocidades mais altas pelo vento da "Lei de Moore" - mas para circuitos de sinais mistos, isso tem um preço: mais avançado A fonte de alimentação de trabalho a voltagem do processo de corrosão tende a diminuir continuamente. Isso significa que a oscilação do sinal do circuito analógico está diminuindo, aumentando a dificuldade de manter o sinal analógico acima do piso de ruído térmico: velocidades mais altas são obtidas às custas da faixa dinâmica reduzida.
Arquitetura avançada (este não é o conversor de dados da era primitiva) - Enquanto o processo de semicondutor está se desenvolvendo a grandes avanços, nos últimos 20 anos, também houve uma onda de inovação da onda digital no campo do conversor de dados de alta velocidade arquitetura, a fim de alcançar maior eficiência com incrível eficiência A largura de banda e a maior faixa dinâmica têm dado uma grande contribuição. Tradicionalmente, há uma variedade de arquiteturas para conversores analógico-digitais de alta velocidade, incluindo arquitetura totalmente paralela (cinza), arquitetura dobrável (dobrável), arquitetura intercalada (intercalada) e arquitetura de pipeline (pipeline), que ainda são muito popular hoje. Mais tarde, arquiteturas tradicionalmente usadas para aplicações de baixa velocidade também foram adicionadas ao campo de aplicação de alta velocidade, incluindo registros de aproximação sucessivos (SAR) e -. Essas arquiteturas foram modificadas especificamente para aplicativos de alta velocidade. Cada arquitetura tem suas próprias vantagens e desvantagens: alguns aplicativos geralmente determinam a melhor arquitetura com base nessas compensações. Para DACs de alta velocidade, a arquitetura preferida é geralmente uma estrutura de modo de corrente comutada, mas há muitas variações desse tipo de estrutura; a velocidade da estrutura do capacitor chaveado está aumentando constantemente e ainda é muito popular em algumas aplicações de alta velocidade incorporadas.
Método auxiliar digital - ao longo dos anos, além de habilidade e arquitetura, a tecnologia de circuito conversor de dados de alta velocidade também fez inovações brilhantes. O método de calibração tem uma história de décadas e desempenha um papel vital na compensação da incompatibilidade dos componentes do circuito integrado e na melhoria da faixa dinâmica do circuito. A calibração foi além do escopo da correção de erros estáticos e é cada vez mais usada para compensar a não linearidade dinâmica, incluindo erros de configuração e distorção harmônica.
Em suma, as inovações nesses campos promoveram muito o desenvolvimento da conversão de dados em alta velocidade.
6. Perceba
A realização de sistemas de sinais mistos de banda larga requer mais do que apenas escolher o conversor de dados certo - esses sistemas podem ter requisitos rigorosos em outras partes da cadeia de sinal. Da mesma forma, o desafio é alcançar excelente faixa dinâmica em uma faixa de largura de banda mais ampla - para obter mais sinais dentro e fora do domínio digital, fazendo uso total do poder de processamento do domínio digital.
—No sistema tradicional de portadora única, o condicionamento do sinal visa eliminar os sinais desnecessários o mais rápido possível e, em seguida, amplificar o sinal alvo. Isso geralmente envolve filtragem seletiva e sistemas de banda estreita ajustados para o sinal de destino. Esses circuitos ajustados podem ser muito eficazes na obtenção de ganho e, em alguns casos, técnicas de planejamento de frequência podem ser usadas para garantir que harmônicos ou outros spurs sejam excluídos da banda. Os sistemas de banda larga não podem usar essas tecnologias de banda estreita e alcançar a amplificação de banda larga nesses sistemas pode enfrentar enormes desafios.
—A interface CMOS tradicional não suporta taxas de dados muito maiores do que 100 MHz — e a interface de dados de oscilação diferencial de baixa tensão (LVDS) funciona de 800 MHz a 1 GHz. Para taxas de dados maiores, podemos usar várias interfaces de barramento ou usar a interface SERDES. Os conversores de dados modernos usam uma interface SERDES com uma taxa máxima de 12.5 GSPS (consulte o padrão JESD204B para especificações) - vários canais de dados podem ser usados para suportar diferentes combinações de resolução e taxa na interface do conversor. As próprias interfaces podem ser muito complicadas.
—No que diz respeito à qualidade do relógio usado no sistema, o processamento de sinais de alta velocidade também pode ser muito difícil. O jitter / erro no domínio do tempo é convertido em ruído ou erro no sinal, conforme mostrado na Figura 5. Ao processar sinais com uma taxa superior a 100 MHz, o jitter do clock ou ruído de fase pode se tornar um fator limitante na faixa dinâmica disponível do conversor. Os relógios de nível digital podem não ser adequados para este tipo de sistema e podem ser necessários relógios de alto desempenho.
O ritmo em direção a sinais de largura de banda mais amplos e sistemas definidos por software está acelerando, e a indústria continua a inovar, e métodos inovadores para construir conversores de dados melhores e mais rápidos estão surgindo, levando as três dimensões de largura de banda, faixa dinâmica e eficiência energética para um novo nível.
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