بخشی از مقاله

چکیده -

مبدلهاي آنالوگ به دیجیتال نقش مهمی در طراحی گیرندهاي RF پیشرفته دارند. مبدلهاي نایکوئیست معمولی به بخشهاي آنالوگ نیاز دارند تا در برابر تداخل و نویز مصون باشند. از سوي دیگر مبدلهاي بیشنمونهبردار میتوانند با استفاده از بخشهاي آنالوگ ساده و با تحمل بالا پیادهسازي شوند. این مدارات شامل یک مقایسهکننده یکبیتی و مدارات پردازشکننده سیگنال آنالوگ هستند که معمولاً دقت آنها بسیار کمتر از کل مبدل است.

در این مقاله، تکنیکی براي طراحی مدولاتورهاي سیگما دلتا با فرکانس بالا ارائه میشود. سپس فیلتر زمان گسسته با استفاده از مدار فیلتر خازن-هدایت انتقالی پیادهسازي خواهد شد. از یک مقایسهکننده و فیلیپفلاپ نوع D به عنوان کوانتیزر مبدل سیگما دلتا استفاده میشود. مبدل سیگما دلتاي مرتبه دوم با تکنولوژي 0.18um پیادهسازي میشود. در این مبدل از ولتاژ تغذیه 1,8 ولت استفاده شده و حداکثر نسبت سیگنال به نویز - SNDR - آن 60dB اندازهگیري میشود. در فرکانس 100MHz کل جریان تغذیه حدود 5mA است.

-1 مقدمه

در سالهاي اخیر توجه بسیار زیادي به ارتباطات بیسیم شده است و استانداردهاي بیسیم مختلفی تولید شده و سیستمهاي رادیویی هوشمند جدیدي بوجود آمده که قابل تطبیق با ارتباطات مختلف هستند. کارآیی سیستمهاي پردازش کننده سیگنال دیجیتال و سیستمهاي ارتباطی عموماً بوسیله دقت سیگنال ورودي دیجیتال محدود میشود. این سیستمها به عنوان رابط بین اطلاعات آنالوگ و دیجیتال محسوب میشوند. تکنولوژي تبدیل سیگنال آنالوگ به دیجیتال بر مبناي مدولاسیون سیگما دلتا، یک راهحل مناسب براي ساختن مبدلهایی با دقت بالا است که بطور گسترده در آيسیهاي پردازشگر سیگنال دیجیتال بکار برده میشود.

مفهوم اصلی مدولاتور سیگما دلتا استفاده از فیدبک است تا دقت مؤثر کوانتیزر درونی بهبود یابد. این مفهوم ابتدائا توسط C.C.Culter بیان شد. ایده او این بود که خطاي کوانتیزاسیون در یک نمونه اندازه گیري شده و با استفاده از یک مدولاتور دلتا از نمونه بعدي ورودي تفریق شود. در مدولاسیون سیگما دلتا از مفهوم شکل دهی نویز که توسط inose, yasuda, murakami در سال 1962 پیشنهاد شد، استفاده می شود.[1] یک مدولاتور سیگما دلتا شامل سه قسمت تشکیلدهنده اصلی است.

الف - فیلتر حلقه H - z -

ب - مدار کوانتیزر درونی

ج - مبدل داده دیجیتال به آنالوگ

در مسیر فیدبک از یک فیلتر ضد تداخل براي برداشتن مؤلفههاي فرکانس بالا سیگنال ورودي استفاده میشود تا در حوزه فرکانس نمونهگیري از شکستگی سیگنالها جلوگیري شود. وقتی نرخ بیش نمونه برداري بزرگ باشد، این فیلتر می تواند بسیار ساده بوده و با یک فیلتر RC ساده پیادهسازي شود، زیرا تیز بودن فیلتر از اهمیت کمی برخوردار خواهد شد. شکل 1 ساختار یک مدولاتور سیگما دلتا را نشان می دهد.

از نظر سرعت نمونهگیري، مبدلهاي داده به چند دسته تقسیم میگردند. -1 مبدلهاي نرخ نایکوئیست -2 مبدلهاي فرا
نمونه بردار.

نمونه بردار سیگنال آنالوگ را به سیگنال زمان گسسته تبدیل میکند. سپس این سیگنال به عنوان ورودي به مدار کوانتیزر تحویل داده میشود. این بلوك بخش اصلی مبدل داده است. در واقع دقت یک مبدل را دقت کوانتیزر آن تعیین میکند. فرآیند تبدیل نمونههاي زمان پیوسته از اطلاعات پیوسته به تعداد محدودي مقادیر گسسته، کوانتیزاسیون نام دارد.

مدولاتورها می توانند یک طبقه یا کاسکد باشند. در این مقاله، تکنیکی براي طراحی مدولاتورهاي سیگما دلتا ارائه میشود. از تبدیل-Impulse invariant- استفاده میشود تا تابع تبدیل فیلتر حلقه زمان گسسته - حوزه - z به زمان پیوسته - حوزه - s تبدیل شود. سپس فیلتر زمان گسسته با استفاده از مدار فیلتر خازن-هدایت انتقالی پیادهسازي خواهد شد. از یک مقایسهکننده لچ و فیلیپ فلاپ نوع D به عنوان کوانتیزر مبدل سیگما دلتا استفاده میشود.

شکل :1 بلوك دیاگرام یک مبدل سیگما دلتا

-2 انواع گیرندههاي مخابراتی

در این بخش ساختارهاي مختلف گیرنده که براي شبکه هاي تلفی بیسیم مورد استفاده قرار میگیرند، بررسی خواهند شد. این ساختارها جهت ایجاد یک گیرنده مجتمع تکمیل و توسعهیافتهاند تا هزینههاي ساخت و توان مصرفی کاهش پیدا کند. این مسأله در گیرندههاي بیسیم بسیار حیاتی است. مسأله مهم دیگر تطبیق پذیري فرستنده/گیرنده ها با استانداردهاي ارتباطی مختلف است. شکل 2 ساختمان یک فرستنده تمام دیجیتال سیگما دلتاي نوعی را نشان میدهد. چنین ساختاري از مدولاتورهاي سیگمادلتاي پایینگذر که در فرکانس نمونهگیري fs عمل میکنند، استفاده میکند تا خروجیهاي دو حالته vi, vq را به ترتیب از دادههاي درونباندي Q,I تولید کند. سپس از سه مالتیپلکسر استفاده میشود تا بصورت دیجیتالی افزایش فرکانس انجام شود و سیگنالهاي دوحالته vi, vq را با هم مخلوط نمایند تا یک سیگنال خروجی RF با فرکانس مرکزي fc=N.fs تولید شود.

دو ساختمان براي گیرندههاي RFوجود دارد که معمولاً در پیادهسازي گیرندههاي بیسیم از آنها استفاده خواهد شد. - 1 تبدیل مستقیم و - 2 سوپرهترودین. گیرندههاي سوپرهترودین با استفاده از دو طبقه مدار IF مختلف، فرکانس سیگنال ورودي را از حالت RF کاهش میدهند. بهتر است که در هر مرحله کاهش فرکانس، از یک فیلتر و تقویتکننده استفاده شود. اما اینکار به دو طبقه میکسر کاهنده و دو فیلتر IF نیاز دارد که توان مصرفی سیستم را افزایش میدهد.

از سوي دیگر، گیرندههاي تبدیل مستقیم، مستقیماً سیگنال RF را در یک گام به باند پایه تبدیل میکنند. سپس از فیلتر پایین گذر و تقویتکنندههاي بعد از میکسر استفاده میشود. لذا گیرندههاي تبدیل مستقیم توان بسیار کمتري نسبت به گیرندههاي سوپرهترودین مصرف میکنند. اما ساختار این گیرندهها داراي یک مشکل اف ست DC است که بر روي شرایط بایاسینگ مدارات اثر گذار خواهد بود. بلوك دیاگرام گیرنده سوپرهترودین در شکل 3 نشان داده میشود. طیف فرکانسی آن در شکل 4 نشان داده می شود.

شکل :2 بلوك دیاگرام یک فرستنده سیگما دلتا نوعی

شکل:3 ساختار یک گیرنده سوپر هترودین

از طرفی، به گیرنده تبدیل مستقیم، گیرنده با فرکانس IF کم یا گیرنده هومودین نیز گفته می شود. گیرندههاي تبدیل مستقیم،مستقیماً سیگنال RF را در یک گام به باند پایه تبدیل میکنند. سپس از فیلتر پایین گذر و تقویتکنندههاي بعد از میکسر استفاده میشود. این گیرنده از سیگنال ورودي از نوسان ساز محلی براي ترکیب باند مطلوب استفاده میکند. فرکانس نو سان ساز محلی برابر فرکانس مرکزي باند RF با یک اف ست فرکانسی کوچک است. لذا گیرندههاي تبدیل مستقیم توان بسیار کمتري نسبت به گیرندههاي سوپر هترودین مصرف میکنند. در بخش بعد ساختار گیرنده پی شنهادي با یک مدار IF ارائه خواهد شد.

شکل :4 طیف فرکانسی گیرنده سوپرهترودین

-3 ساختار گیرنده پیشنهادي

شکل 5 بلوك دیاگرام این ساختار گیرنده را نشان میدهد. تفاوت بین ساختار پیشنهادي و گیرندههاي سوپرهترودین این است که ساختار پیشنهادي تنها از یک طبقه میکسر کاهنده و یک فیلتر IF استفاده میکند. توان مصرفی ساختار پیشنهادي از ساختار گیرنده سوپرهترودین کمتر است . از سوي دیگر، تفاوت بین ساختار پیشنهادي و گیرنده تبدیل مستقیم این است که ساختار پیشنهادي از یک IF بالا استفاده میکند، در حالی که ساختار تبدیل مستقیم از حالت DC بهره میبرد.

شکل :5 ساختار گیرنده پیشنهادي

مزّیت استفاده از IF بالا این است که در این حالت محدودیت رد تصویر بسیار کمتر از مبدلهایی با فرکانس پایینتر استمزّ.یت دیگر آن نسبت به مبدلهاي تبدیل مستقیم این است که مسأله افست DC کمتر رخ خواهد داد. مدولاتورها به دو دسته زمان گسسته و زمان پیوسته تقسیم بندي می شوند. مدولاتور سیگما دلتاي زمان گسسته سیگنالهاي باند گذر را با پهنايباندي باریکی که در حدود فرکانس مرکزي سیگنال است، تبدیل میکند. اما پیادهسازي مدارات سوئیچکننده خازنی و جریانی[2-5] داراي این محدودیت هستند که فرکانس نمونهبرداري مدولاتور نباید خیلی زیاد باشد.

- معمولاً تا حد - 100MHz بنابراین از یک روش طراحی و پیادهسازي زمان پیوسته استفاده میشود تا تبدیل صورت گیرد. در طراحی مدارات سوئیچکننده خازنی یا مدارات زمان گسسته بواسطه طبیعت مدولاتور سیگما دلتا، شکلموج خروجی DAC در حلقه فیدبک مدولاتور تأثیر زیادي بر روي عملکرد مودلاتور نخواهد داشت.

اما فیلتر زمان پیوسته برخلاف فیلتر سوئیچکننده خازنی بطور مداوم به سیگنال ورودي پاسخ میدهد. لذا فیلتر سیگما دلتاي زمان پیوسته باید طبق شکلموج خروجی DAC طراحی شود. یک مودلاتور سیگما دلتاي زمان پیوسته مرتبه دوم طراحی و پیادهسازي میشود. کوانتیزر با یک مقایسهکننده از نوع لچ ساخته خواهد شد، مدار نگهدارنده آن از نوع D flip flap بوده و مدار DAC با منبع جریان ساخته میشود و مدار جمعکننده با استفاده جمعکننده جریان انجام خواهد شد.

-4 فیلتر حلقه

همانطور که میدانیم مدولاتور سیگما دلتاي زمان پیوسته باندگذر به یک فیلتر زمان پیوسته نیاز دارد. براي مدارات آنالوگ زمان پیوسته میتوان از سه نوع روش براي پیادهسازي فیلتر استفاده کرد. فیلتر LC، فیلتر خازن-سوئیچ و فیلتر .Gm-C در این پیاده سازي از سلول Gm و خازن استفاده می شود. یک سلول Gm قطعهاي است که جریان خروجی آن بصورت خطی به ولتاژش بستگی دارد. ساده ترین سلول gm-C به شکل 6 است.

در متن اصلی مقاله به هم ریختگی وجود ندارد. برای مطالعه بیشتر مقاله آن را خریداری کنید