פסי תקשורת בעלי תדר רחב יותר דורשים לא רק רוחב-פס גדול יותר מ-ADC של מערכת, אלא הם יכולים גם לחזק את הצורך ברוחב-פס בהספק מלא גבוה יותר. ביישומים אחדים, כגון לוחמה אלקטרונית ומכ”ם מערך מופע (phased array) אקטיבי, דבר זה עשוי לדרוש שימוש בפס קצב Nyquist מסדר גבוה יותר. ADCs GSPS מהדור הבא מאפשרים דגימת GHz הרבה בתוך פס Nyquist השלישי והרביעי עם אופציות דסימציה (decimation) לקבלת יתרונות התחום הדינמי של דגימת-היתר. אם רוחב-פס המבוא של ADC גבוה מספיק, אפשר להפחית תדר ישירות ב-ADC על-ידי תת-דגימה של אות ה-IF בעל העניין. אותות מבוא בעלי רוחב-פס וקצבי דגימה גבוהים יותר מאפשרים דגימת RF ישירה של אותות בעלי פס רחב יותר ואפשרות של ביטול שלב מלא בשרשרת אותות לשם הספק מערכת נמוך יותר ופשטות.
איור 1. רוחב-פס ADC רחב בהספק מלא מאפשר שימוש בפסי Nyquist בעלי סדר גבוה יותר. סינון מעביר פס של אזורי Nyquist שלא בשימוש מחייב כדי להסיר אנרגיית אותות בלתי-רצויה העשויה להתקפל ל-Nyquist הראשון, תוך פגיעה בתחום הדינמי.
תת-דגימה של ADC היא ביסודה הטכניקה של שימוש בתדר דגימה שהוא פחות מכפליים רכיב התדר המרבי באות. ניתן להתייחס לטכניקה זו גם כדגימה הרמונית, דגימה מעבירה פס או דגימה מעל-Nyquist. כדי לשחזר את האות המקורי בצורה מושלמת מהגרסה הדגומה, משפט הדגימה של Nyquist-Shannon מראה שקצב הדגימה צריך להיות כפול מרוחב-הפס של האות בעל העניין. אין לטעות בכך עם קצב הדגימה שהוא כפליים רכיב תדר ה-IF המרבי. אם BW הוא רוחב-הפס בעל העניין, אזי דרוש תדר דגימה של Fs>2BW. רוחב-הפס בעל העניין יכול להיות בין DC ל-BW או בין A ל-B כאשר BW=A-B. כל עוד רוחב-הפס בעל העניין איננו חופף את פס ה-Nyquist של ה-ADC, שהוא מחצית קצב הדגימה (Fs), תת-הדגימה עשויה לפעול עבור פסי אותות גבוהים יותר עם ADCs בעלי רוחב-פס גבוה בהספק מלא (full power bandwidth – FPWB) ביחס לקצב הדגימה המתאים כמוצג באיור 1.
סודיות היא היבט חשוב בפעולות צבאיות. כדי להקטין את האפשרות של ההאזנה והגילוי, הצורה והגודל של שידור המכ”ם מיועדים במקרים רבים לפזר אנרגיה בתחום התדרים הרחב ביותר האפשרי. סבירות נמוכה של האזנה (Low probability of intercept – ) וסבירות נמוכה של גילוי (Low probability of detection – ) הם סוגים של מערכות מכ”ם בעלי מאפייני ביצועים מסוימים ההופכים אותם לכמעט בלתי נתונים לגילוי על-ידי מקלטי האזנה מודרניים. תכונות ה-LPI מונעות ממערכות אזעקה או ציוד גילוי-מכ”ם פאסיבי מלמעוד. כדי לספק עמידה בפני חסימה, ניתן לבנות מערכות על-ידי הפיכתן לאקראיות ופיזור פולסי המכ”ם בצורה חכמה על-גבי פס רחב כך
איור 2. מערכות DS-SS דורשות רוחב-פס רחב של המקלט ותחום דינמי גבוה בשעה שפס האות בעל עניין משולב עם רעש דמוי-אקראי (pseudorandom noise – ) כדי למקם את התקשורת לתוך רצפת הרעש.
שיהיה רק אות קטן מאוד בכל פס, דבר הידוע כ-Direct Sequence Spread Spectrum () כמתואר באיור 2. Frequency Hop Spread Spectrum () גם מספק הגנה מסוימת נגד חסימה בפס מלא. במקרים אלה, אות המשודר בשידור רחב צורך רוחב-פס העולה על הדרוש למעשה עבור האות בעל העניין הגולמי. לכן רוחב-פס במקלט רחב יותר דרוש כדי להוסיף לקדם את יכולת המערכת. אחד הגורמים החשובים ביותר לשם הצלחה במערכת LPI הוא להשתמש ברוחב-פס של שידור אות רחב ככל האפשר כדי להסוות צורות גלים מורכבות כרעש. דבר זה מספק במהופך אתגר בעל סדר גבוה יותר כדי לקלוט מערכות מקלטים האמורות לגלות ולפענח אותות רחבי-פס אלה. לכן, בעוד דבר זה יוצר שיפורים לקראת LPI ו-LPD, הוא גם מגדיל את מורכבות מקמ”ש המכ”ם על-ידי יצירת מערכת שיכולה לקלוט את כל רוחב-הפס המשודר בו-זמנית. היכולת של ADC להפוך לדיגיטליים ביחד קטעי רוחב-פס ספקטראלי בעלי 500 מגה-הרץ, 1000 מגה-הרץ ויותר גדולים בפס Nyquist יחיד מסייעת ליצירת אמצעי לשם טיפול באתגר מערכתי זה. העלאת פסים אלה בתדר מעל ה-Nyquist הראשון של ה-ADC עשויה להיות אף יותר בעלת-ערך.
כיום ADCs בעלי פס רחב מציעים יכולת מערכתית עבור פסי Nyquist רחבים מרובים בתוך צורת פעולה של תת-דגימה. אולם, השימוש בפס Nyquist של ADC בעל סדר גבוה לשם דגימה דורש סינון ביטול מחמיר של המדרוג (anti-alias) של הקצה הסופי ותכנון התדרים כדי למנוע אנרגיה ספקטראלית מלגלוש לתוך אזורי Nyquist אחרים. הוא גם מבטיח שהרמוניות לא-רצויות ואותות בעלי תדר נמוך יותר אינם נופלים לתוך פס העניין לאחר שהם מתקפלים לתוך ה-Nyquist הראשון. יש לתכנן את מעלה הזרם בעל מסנן מעביר פס (bandpass filter – BPF) של ה-ADC כדי שהוא יסנן אותות ורעש בלתי-רצויים שהם לא על-ידי רוחב-הפס בעל עניין נומינלי. ADCs GSPS חדשים דוגמת ה-AD9234, AD9680 ו-AD9625 מספקים דגימה של פס Nyquist מרובה עם תחום דינמי גבוה ברוחבי-הפס של המבוא.
איור 3. טכניקת תת-הדגימה יכולה בפוטנציה לחסוך את דרגת ההמרה כלפי מטה מאחר שפס תדר המבוא הגבוה יותר מועבר ישירות ל-ADC הדוגם RF
מאחר שטכניקה של דגימה ישירה מעבירה את אנרגיית האות מכל אזור בחזרה ל-Nyquist הראשון, אין דרך להבחין במדויק את מקור התוכן. כתוצאה, אנרגיה בלתי-רצויה עשויה להופיע באזור Nyquist הראשון, אשר תפחית את היחס אות-לרעש (signal-to-noise ratio SNR) ואת התחום הדינמי החופשי-כזב (spurious free dynamic range – ). סוגיות של ספקטרום עלולות לפגוע ביישומים ממשלתיים וצבאיים, הן בשל חישה והן בשל תקשורות. מקמ”שי רדיו דיגיטליים עבור תקשורות צבאיות הם דוגמה אחרת של שימוש ב-ADCs ו-DACs מהירים שיכולים בכוח להחליף דרגת ערבול פס-בסיב מסורתי. לארכיטקטורה זו מספר יתרונות מאחר שהסינון ההדוק וביטול הערוצים הסמוכים ניתנים להיעשות בתחום הדיגיטלי לשם ההמרה של פס הבסיס. מספר יתרונות מוצעים על-ידי דגימת RF ישירה עבור תכנוני הדרגה הסופית של מכ”ם. ראשון ועיקרי, היא יכולה לאפשר הפחתה של מספר הרכיבים, כפי שניתן לראות באיור 3 להלן, כאשר ניתן לבטל דרגה שלמה של המרה כלפי מטה. ניתן גם לבטל את הצורך לתכנן שבב עירוב שיתאים לתכנית תדרים הבנויה במיוחד. שנית, היא יכולה לפשט את התכנון של מקלטים מהדור הבא עבור רוחבי-פס של אותות עתידיים ההופכים לזמינים בשעה שמערכות מכ”ם עוברות חידוש ועדכון. כל מה שדרוש כדי לעבוד עם תדר גל נושא חדש הוא לבחור קצב דגימה מתאים ולכלול מסנן מעביר-פס מתאים. שלישית, אפשר להפוך דרגת RF סופית למתאימה עבור תחומי תדרים מרובים. גישה זו לתכנון דרגה סופית של מכ”ם מרובה-תדרים מבטלת את הצורך בדרגות סופיות מרובות.
ADCs מהדור הנוכחי מציעים כעת ריבוי של יחידות עיבוד בהמרה דיגיטלית פנימית כלפי מטה. כל DDC יכול להפעיל את קצב הדסימציה העצמי שלו ומחולל מבוקר ספרתית לשם עיצוב הכוונון לתוך פס Nyquist. ניתן להשיג את שבח העיבוד בתוך רוחב-פס צר יותר המסנן דיגיטלית את הרעש שמחוץ לפס. דבר זה מקטין את נתוני המוצא של ה-ADC הדרושים וממזער את מורכבות העיבוד ב-FPGAs ו-DSPs. אולם, עיבוד אותות עם פיצול לערוצים נוסף ניתן לבצע במורד הזרם של ה-ADC.
מערכות תקשורת רחבת-פס וחישה דורשות ממירי נתונים מהירים ביותר. ADCs GSPS חדשניים דוגמת ה-AD9234 AD9680 ו-AD9625 מציעים לא רק קצבי דגימה גבוהים עבור רוחב-פס רגעי רחב יותר, אלא גם את היכולת לדגום מבואות בתדר גבוה מעל ה-Nyquist הראשון. ADC דוגם-RF יחיד ישיר המשמש ברוחב-פס גבוה יכול בפוטנציה להחליף תת-מערכת שלמה בעלת דגימת IF או Zero IF של מערבלים, מסנתזי LO, מגברים ומסננים תוך השגת גמישות יתר. דבר זה עשוי להקטין משמעותית את עלות הרכיבים, זמן התכנון, גודל הכרטיס, המשקל וצריכת הספק.
סימוכין:
Kester, W. What the Nyquist Criterion Means to your Sampled Data System Design.MT-002.
Retrieved from Analog Devices Training Seminars: http://www.analog.com/media/en/training-seminars/tutorials/MT-002.pdf
Poshala, P. (2013) Why Oversample when Undersampling can do the Job? Retrieved from EE Times India: http://www.eetindia.co.in/STATIC/PDF/201307/EEIOL 2013JUL12 AMP PL AN 01.pdf
Shea, J. Military Wireless Communications. Retrieved from University of Florida: http://wireless.ece.ufl.edu/eel6509/lectures/MilitaryComm6509.pdf
Stallings, W.(2010), Data and Computer Communications, 276-294: Upper Saddle River, New Jersey: Prentice Hall
Zarr, R.(2014).ADCs Feel the Need for Speed, Retrieved from Electronic Design:
http://electronicdesign.com/communications/adcs-feel-need-speed
Ian Beavers is an Applications Engineer for the High Speed A/D Converters team at Analog Devices, Inc. (Greensboro, NC).
