Come semplificare il filtraggio AFE tramite ADC ad alta velocità con filtri digitali interni

Di Thomas Neu, System Engineer per convertitori di dati ad alta velocità

Introduzione

I progetti tradizionali per l’acquisizione di dati industriali richiedono spesso filtri elaborati sul front-end analogico (AFE) a monte del convertitore analogico/digitale (ADC). L’obiettivo principale di un filtro analogico è attenuare i segnali fuori banda indesiderati che possono introdurre alias al di sopra del segnale di interesse desiderato: pertanto, il filtro analogico è noto anche come filtro anti-alias (AAF). Segnali e rumore indesiderati nella banda di alias possono provenire dall’amplificatore di azionamento, da spurie di commutazione dell’alimentatore o anche da interferenze intenzionali (jammer).

La posizione della frequenza di alias dipende direttamente dalla frequenza di campionamento dell’ADC: più il convertitore di dati funziona velocemente per una determinata larghezza di banda istantanea, più la banda di alias si allontana dal segnale desiderato e più diventa facile il filtraggio. Nei sistemi ad altissima precisione, i progettisti sfruttano spesso questa relazione utilizzando ADC delta-sigma, che per progetto utilizzano tassi di sovracampionamento elevati insieme a filtri di decimazione. Nelle stazioni base dei cellulari, la spinta al campionamento diretto in radiofrequenza delle bande 3GPP da 1 a 6 GHz ha portato all’adozione di convertitori di dati gigasample-per-second (GSPS). La larghezza di banda istantanea delle bande 3GPP è solo una frazione della frequenza di campionamento, pertanto la nuova architettura di utilizzo del convertitore GSPS con sovracampionamento ha anche ridotto i requisiti per il filtro RF analogico.

Le applicazioni industriali che utilizzano ADC a registro di approssimazione successiva (SAR), come l’analisi della qualità dell’energia, il sonar o il radar industriale con frequenze di campionamento comprese tra 1 MSPS e più di 10 MSPS, si collocano tra l’ADC delta-sigma di precisione e l’ADC GSPS. Le nuove famiglie ADC35xx e ADC36xx di ADC SAR ad alta velocità sono abbinate ad un filtro digitale integrato, consentendo alle applicazioni industriali di sfruttare questa tecnica di progettazione a sovracampionamento e decimazione per ridurre i requisiti del filtro analogico esterno.

Per l’esempio mostrato nella Figura 1, si supponga che il segnale di ingresso CC sia 200 kHz con una frequenza di campionamento ADC di 1 MSPS. Una banda passante di circa 300 kHz insieme a una reiezione dell’alias di circa 40 dB richiede approssimativamente un filtro di quinto ordine. Aumentando la frequenza di campionamento dell’ADC da 1 MSPS a 16 MSPS, la banda di frequenza dell’alias viene spinta da 800 kHz a 15,8 MHz e, quindi, riduce il filtro anti-alias ad un filtro di secondo ordine. Inoltre, la banda di alias si allontana dalla regione di frequenza (da 600 kHz a 2 MHz), che spesso contiene spurie causate da regolatori di commutazione nell’alimentatore.

Figura 1. Rilassamento del filtro anti-alias dovuto all’aumento delle frequenze di campionamento dell’ADC

Filtro digitale interno

Il prossimo obiettivo è esaminare i tre scopi del filtro digitale interno.

1.Attenuazione della banda di frequenza alias

Il filtro di decimazione digitale più comune nel dominio della frequenza è un filtro passa-basso digitale. Questo filtro è costituito da tre diverse regioni: la banda passante, le bande di transizione multiple e le bande alias, come mostrato nella Figura 2. Tutti i segnali nelle bande alias diventano alias sopra la banda passante, ma risultano attenuati di circa 85 dB o più in questa figura. Tutte e tre le bande alias girano a specchio intorno a FS/8, FS/4 e 3 FS/8.

2.Riduzione della velocità dei dati in uscita

Un’elevata frequenza di sovracampionamento può essere difficile da gestire per i processori a valle. Inoltre, in una configurazione di sovracampionamento, la maggior parte dello spettro di frequenza contiene solo contenuti indesiderati, che consumano energia non necessaria per la trasmissione. Il filtro digitale scarta i campioni e riduce la velocità dei dati in uscita.

Quando la banda di interesse non è nella gamma di frequenza di fascia bassa, un mixer digitale può convertire il segnale prima del filtraggio passa-basso per massimizzare la riduzione della velocità di uscita.

3.Miglioramento del SNR

Il rapporto segnale-rumore (SNR) di un convertitore di dati viene calcolato integrando il rumore di fondo nella zona di Nyquist dell’ADC. In teoria, l’SNR dell’ADC migliora di 3 dB per ogni fattore di 2 decimazioni digitali. In realtà, è possibile avvicinarsi ai 3 dB fino a quando il rumore in banda inizia ad essere predominante.

Nell’esempio precedente, la frequenza di campionamento dell’ADC è aumentata da 1 MSPS a 16 MSPS. L’aggiunta di un filtro digitale decimato per 16 ridurrebbe la velocità di uscita a 1 MSPS, aumentando quindi l’SNR dell’ADC fino a 12 dB (4 × 3 dB).

La densità spettrale del rumore (NSD) è un’altra misura delle prestazioni di rumore del convertitore di dati e prende in considerazione l’SNR e la larghezza di banda, venendo spesso utilizzata per confrontare diversi convertitori di dati. Ad esempio, un ADC a 16 MSPS con un SNR di 82 dB avrebbe un NSD di –151 dBFS/Hz [82 dB 10 × LOG (8 MHz)]. Dopo la decimazione di un fattore 16, l’SNR migliora di 12 dB (da 82 a 94 dB), mentre l’NSD rimane costante a –151 dBFS/Hz [94 dB 10 × LOG (0,5 MHz)].

Capire il filtro di decimazione

Diversi compromessi determinano l’architettura del filtro digitale e il numero di prese del filtro: coefficienti programmabili o fissi, ondulazione massima della banda passante, attenuazione minima della banda di arresto, latenza e consumo energetico. Ad esempio, un più netto roll-off del filtro e una maggiore attenuazione della banda di arresto richiedono un numero maggiore di prese del filtro, con conseguente aumento del consumo energetico e maggiore latenza. I coefficienti del filtro determinano se il filtro fornisce una risposta in frequenza passa basso, passa alto o passa banda.

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