Un modelo de ruido de fase empírico multicanal validado en una pantalla de 16 canales

Resumen

Este artículo describe un enfoque sistemático para predecir el ruido de fase en grandes sistemas multicanal y lo compara con mediciones en una pantalla de banda S de 16 canales. Este enfoque analítico se basa en un pequeño conjunto de mediciones que se pueden utilizar para estimar las contribuciones de ruido correlacionadas y no correlacionadas. Sobre la base de varias mediciones, se puede predecir el ruido de fase en una amplia gama de condiciones. La opinión es que cualquier diseño particular requerirá su propio sistema de análisis de ruido, y la pantalla de 16 canales proporcionará un ejemplo de diseño particular para usar como línea de base. Se analizan las suposiciones basadas en la pantalla de 16 canales junto con las limitaciones sobre cuándo se aplican las suposiciones y cuándo se deben agregar términos de ruido adicionales a medida que aumenta la complejidad del sistema. La descripción dada se basa en un cuerpo de trabajo que describe la optimización del ruido de fase en sistemas de RF.1–6 En su caso, se proporcionan referencias que describen los principios subyacentes utilizados en este análisis.

Introducción

El ruido de fase es una métrica de rendimiento clave en todos los diseños de sistemas de RF. En grandes sistemas de RF multicanal, como conjuntos en fase donde los canales se combinan de manera coherente, un objetivo es lograr mejoras en el rango dinámico de la red a partir de la combinación coherente de receptores y transmisores distribuidos. Un desafío de la ingeniería de sistemas con este objetivo es dar cuenta de los términos de ruido correlacionados y no correlacionados en el sistema. Este artículo está destinado a ayudar a los ingenieros de sistemas a desarrollar métodos analíticos para evaluar el rendimiento del ruido en sistemas grandes mediante la presentación de un enfoque sistemático utilizado para evaluar el ruido de fase en una pantalla de RF de 16 canales.

Cualquier señal en una matriz escalonada contendrá términos de ruido que no están correlacionados entre canales y términos de ruido que están correlacionados entre canales. El ruido aditivo de los componentes distribuidos no está correlacionado. Sin embargo, las señales compartidas utilizadas para los componentes distribuidos crean un componente de ruido correlacionado. El desafío es visualizar rápidamente los términos de ruido correlacionados en la arquitectura. Cualquier cosa común o compartida puede causar ruido de correlación en los canales. Los ejemplos incluyen LO compartidos, relojes o energía. A medida que aumenta la complejidad del sistema, el seguimiento de estos términos de ruido se vuelve bastante tedioso. Por lo tanto, los métodos intuitivos para rediseñar la arquitectura en términos de ruido e identificar rápidamente los contribuyentes de ruido correlacionados pueden ser beneficiosos para los ingenieros de sistemas que diseñan sistemas de próxima generación.

En este documento, demostramos un enfoque con un sistema de banda S de 16 canales y mostramos, con algunas mediciones empíricas, que el ruido de fase en una variedad de otras condiciones de combinación de canales se puede predecir bien. Uno de los puntos principales de este modelo empírico es que ciertas mediciones son necesarias. Pasar directamente de simulaciones de componentes a grandes estimaciones de ruido de fase multicanal con buena precisión puede ser difícil. Sin embargo, con solo unas pocas mediciones, los términos de ruido correlacionados y no correlacionados pueden eliminarse para que las estimaciones multicanal puedan ser razonablemente precisas. Nuestras medidas corresponden a predicciones dentro de 1 dB para una pantalla de banda S de 16 canales.

Figura 1. Pantalla de 16 canales: la plataforma contiene cuatro circuitos integrados AD9081. Cada AD9081 contiene cuatro DAC de RF y cuatro ADC de RF que proporcionan un total de 16 canales de transmisión y 16 canales de recepción.

El contexto de la suma de ruido correlacionado y no correlacionado

Cuando las señales se combinan en espacio libre o procesamiento de RF, cada señal agrega ruido

Ecuación 1

donde c es el coeficiente de correlación y varía de –1 a +1. Si c = –1, el ruido se cancela; si c = 0, el ruido está descorrelacionado; y si c = 1, el ruido está completamente correlacionado.

Suponiendo una calibración para combinar las señales primarias de forma coherente, la señal primaria aumentará hasta un nivel de 20logN, donde N es el número de canales.

  • Si los términos de ruido no están correlacionados (c = 0), el ruido aumentará en 10 logN. Con el nivel de la señal aumentando a una tasa de 20logN (tasa de 10logN por encima del ruido), la mejora resultante en SNR es de 10logN.
  • Si los términos de ruido están correlacionados (c=1), el ruido también aumentará a un ritmo de 20logN, al igual que la señal, y no habrá mejora en la SNR. Este no es un resultado deseable para los sistemas distribuidos.
  • En los circuitos de cancelación de ruido, se crea un coeficiente de correlación negativo. Esta situación se indica a los efectos de la ecuación 1, pero no se describe con más detalle.
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En la práctica, los grandes sistemas distribuidos tienen componentes de ruido parcialmente correlacionados entre canales. Sin embargo, desarrollar un modelo de ruido a nivel de sistema requiere un enfoque práctico e intuitivo.

La pantalla de 16 canales

Se desarrolló una plataforma de muestreo directo de RF de banda S de 16 canales para evaluar los últimos convertidores de datos de alta velocidad en un entorno multicanal. Hay cuatro AD9081 MxFE en la plataforma® (extremos frontales de señales mixtas). Cada AD9081 contiene cuatro DAC de RF y cuatro ADC de RF, lo que proporciona un total de 16 canales de transmisión y 16 canales de recepción.

La plataforma de evaluación Quad-MxFE de 16 canales recibe su nombre de sus cuatro circuitos integrados MxFE. El diagrama de bloques completo y una fotografía de la placa se muestran en la Figura 1 y la Figura 2, respectivamente.

Figura 2. El Quad-MxFE es una pantalla de 16 canales.

Un modelo de ruido de fase multicanal

El diagrama de bloques de la plataforma de desarrollo de 16 canales en la Figura 1 muestra el rango de capacidades. A partir de este diagrama, al principio no es obvio visualizar los participantes del ruido en términos de componentes de ruido correlacionados o no correlacionados. Existe la necesidad de un método para evaluar la arquitectura desde el punto de vista del ruido. Un bosquejo adecuado puede aclarar qué términos de ruido son comunes a todos los canales, qué términos de ruido solo están correlacionados entre grupos de canales y qué términos de ruido no tienen ninguna correlación entre canales. La figura 3 proporciona una ilustración de la plataforma de desarrollo de 16 canales y divide los términos de ruido en tres categorías.

Figura 3. Figura 1 redibujada en términos de ruido de fase de reloj.

  • Ruido de reloj: El Quad-MxFE ofrece opciones para diferentes configuraciones de reloj. La configuración específica utilizada debe tenerse en cuenta en el modelo de ruido de fase. En nuestras pruebas, utilizamos un reloj común de bajo ruido de fase en todos los canales, o cuatro sintetizadores de bucle de bloqueo de fase (PLL) ADF4371 distribuidos separados para actuar como entrada de reloj para cada uno de los cuatro MxFE. Para un solo reloj normal, este ruido se correlacionará para los 16 canales juntos. En el caso de utilizar cuatro PLL ADF4371, uno por MxFE, el ruido PLL se correlacionará con MxFE pero no con los MxFE, y el ruido de referencia se correlacionará en todos los canales.
  • Ruido correlacionado MxFE: este es el ruido del MxFE correlacionado para todos los canales dentro del MxFE. Para este análisis, el ruido correlacionado con MxFE incluye el ruido aditivo común dentro del IC así como cualquier efecto de potencia común a los canales dentro del IC.
  • Ruido no correlacionado por canal: Este es un ruido diferente por canal. Incluye el núcleo del DAC y todo el ruido de fase residual del amplificador. En la ecuación 2, este término se denomina TXRuido.

Basado en el ruido de fase en términos de los contribuyentes descritos, el ruido de fase común se puede calcular de la siguiente manera.

ecuación 2

Luego hay algunos detalles adicionales que ayudan a simplificar el modelo de este formulario para este banco de pruebas.

  • Efectos de la fuente de alimentación: las contribuciones de ruido de fase de la fuente de alimentación pueden ser una consideración importante en el diseño de bajo nivel de ruido. En los artículos «Explicación de la relación de modulación de la fuente de alimentación: ¿Cuál es la diferencia entre PSMR y PSRR?», se describe un enfoque para resolver el problema del ruido de la fuente de alimentación. y «Mediciones de ruido de fase DAC mejoradas que permiten aplicaciones DDS de ruido de fase ultrabajo». Para el análisis de este documento, se considera que el efecto de la fuente de alimentación es un subconjunto de los términos de ruido capturados en la ecuación 2. Si el ruido de la fuente de alimentación es un contribuyente de ruido de fase dominante en los circuitos integrados y se divide entre canales, este efecto debería existir. . se considera como un término de correlación similar al ruido correlacionado con MxFE utilizado anteriormente en este artículo.
  • Ruido del oscilador de referencia: en sistemas grandes, la contribución de ruido del oscilador de referencia debe asignarse como se describe en la sección «Un modelo de ruido de fase LO a nivel de sistema para arreglos en fase distribuidos con bucles sincronizados en fase». En este banco de pruebas, se utilizó una referencia de ruido de nivel muy bajo, que era mucho más bajo que los otros contribuyentes y no se conocía específicamente en la ecuación de ruido combinado.
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Medidas para informar el modelo

Con el modelo de ruido de fase combinado ahora descrito en la Ecuación 2, la siguiente pregunta es «¿Cómo llegamos a los valores de contribución de ruido para usar en las ecuaciones?» En el caso del banco de pruebas Quad-MxFE se pueden utilizar tres medidas para extraer la información necesaria:

  • El ruido de fase total de la fuente de reloj.
  • El ruido de fase residual de los distintos canales MxFE
  • El ruido de fase residual de los canales del mismo MxFE

Las configuraciones de prueba utilizadas para las mediciones se muestran en la Figura 4. La Figura 4 (b) y la Figura 4 (c) proporcionan mediciones de ruido residual que cancelan la fuente de reloj común. Cuando el ruido de fase residual se mide solo en MxFE, también se cancela el ruido correlacionado en los canales MxFE. Sin embargo, cuando se mide el ruido de fase residual en las MxFE, la medición captura el ruido de correlación en las MxFE.

Figura 4. Se utilizan tres medidas para completar el modelo de ruido de fase.

El paso final es modificar los datos medidos en los tres términos de la ecuación 2 de la siguiente manera:

  1. Ruido de reloj = medición de ruido de fase de reloj (Figura 4(a)) + 20log(FAFUERA/FCLOCK)
  2. Ruido correlacionado con MxFE = ruido de fase residual en las MxFE (Figura 4(b)) – ruido de fase residual de una MxFE común (Figura 4(c)). Tenga en cuenta que para este cálculo necesitará convertir a potencia lineal, luego restar, luego volver a convertir a dB para que 10log(10^ (ruido de fase residual en el MxFE/10) – 10^ (ruido de fase residual de MxFE Common / diez ))
  3. TxNoise = ruido de fase residual de MxFE común (Figura 4(c)).

Comentario adicional sobre las mediciones de ruido de fase residual: hemos encontrado con este hardware que los términos de ruido en los puntos 2 y 3 anteriores también se escalan con la frecuencia. Al cambiar a otras frecuencias, 20log(F) adicionalesAFUERA/FMEDIDA) es necesario. Este no es necesariamente el caso para todo el hardware y este término debe considerarse de forma independiente para cada diseño.

Caso de medición 1: un reloj común con ruido de bajo nivel

Para esta medición, se utilizó un solo reloj de 12 GHz de bajo ruido para toda la pantalla de 16 canales. La fuente de reloj era un SMA100B y se inyectó en el nodo de inyección de reloj externo que se muestra en la Figura 1. Las condiciones que se muestran son una frecuencia de salida de transmisión de 3,2 GHz.

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En la Figura 5(b), vemos que el ruido de correlación en los MxFE es el que más contribuye. A medida que se agreguen más MxFE al sistema, esta contribución de ruido mejorará y luego se verá limitada por el ruido de reloj común. Con las formas de las curvas de cada contribuyente, solo unos pocos puntos a lo largo de la curva son suficientes para hacer una predicción precisa, por lo que pensamos que era mejor utilizar los datos de la Figura 5(b) directamente en la Ecuación 2. Luego, se realizaron una serie de mediciones. hecho para validar el modelo. El modelo predice los resultados con una precisión sorprendente, como se puede ver después de mirar las Figuras 6-8.

Figura 5. a) Medidas tomadas para guiar el modelo de ruido de fase, yb) contribuyentes de ruido de fase calculados para usar en el modelo. Este es el caso de un único reloj común a todas las MxFE.

Figura 6. Medición versus predicción del modelo para 16 canales a 3,2 GHz.

Figura 7. Medición versus predicción del modelo para ocho canales a 3,2 GHz. La diferencia entre los dos gráficos es cómo se comparten los canales de transmisión entre los MxFE.

Figura 8. Medición versus predicción del modelo para cuatro canales a 3,2 GHz. La diferencia entre los dos gráficos es cómo se comparten los canales de transmisión entre los MxFE.

Vale la pena señalar algunos comentarios sobre medidas versus pronósticos. En muchos casos, la predicción es casi idéntica a las medidas. En algunos casos, la medición se degrada ligeramente en comparación con la predicción. Reconocemos este punto aquí, pero sin una descripción exacta. El gráfico de la izquierda en la Figura 8 proporciona un posible indicador. Cuando ampliamos estos gráficos, notamos que la predicción para dos casos medidos y dos medidos era ligeramente más alta. El ruido correlacionado con MxFE puede no ser igual a los circuitos integrados AD9081, lo que genera algunas incoherencias. Algunas de las suposiciones simplificadoras descritas en la Sección V pueden ayudar con esto. En ambos casos, la predicción es extremadamente precisa y creemos que el enfoque es válido para este diseño en particular.

Caso de medición 2: PLLs distribuidos por MxFE

Para realizar esta medición, se utilizó un ADF4371 independiente para cada uno de los cuatro MxFE, como se muestra en la Figura 1. El ADF4371 se enganchó en fase a una referencia de ruido de bajo nivel de 500 MHz y se registró para una salida de 12 GHz. La Figura 9 muestra las mediciones y los contribuyentes de ruido utilizados para informar el modelo.

Figura 9. a) Mediciones realizadas para informar el modelo de ruido de fase cuando se usan chips ADF4371 separados como fuente de entrada de reloj, y b) contribuyentes de ruido de fase calculados para usar en el modelo. Esto se aplica al caso de los PLL distribuidos por MxFE.

En este caso, el PLL es la mayor fuente de ruido y los contribuyentes de ruido MxFE son mucho menores que el ruido del reloj. El ruido combinado mejora con la cantidad de PLL utilizados en el sistema distribuido, como se muestra en la Figura 10.

Figura 10. Predicciones medidas versus modeladas a 3,2 GHz después de combinar diferentes canales de transmisión alineados en fase utilizando el ADF4371 como fuente de reloj para cada MxFE.

Conclusión

Este artículo presentó un modelo empírico que predice con bastante precisión el ruido de fase de canales combinados. El principio del enfoque es ver primero el sistema desde el punto de vista de la fuente de ruido y volver a dibujar los diagramas de bloques para ver fácilmente qué términos están correlacionados y cuáles no.

Insistimos también en la palabra «empírico», que significa que el método propuesto puede ser verificado por observación o experimentación más que por pura teoría o lógica. En el caso del ruido de fase, la opinión es que se necesitan varias mediciones y observaciones para evaluar las tendencias y los contribuyentes. Una vez incluidos estos, el ruido del sistema se puede calcular sistemáticamente.

Los datos y las ecuaciones que se utilizan en este artículo son algo específicos del hardware y se basan en el observaciones antes descritas. Sin embargo, el enfoque se puede extender a cualquier sistema multicanal. En la Figura 11 se muestra un diagrama de bloques más general. Al comenzar con el oscilador de referencia del sistema y luego extraer el reloj y la distribución LO del hardware de nivel de canal, es más fácil visualizar los contribuyentes de ruido en un sistema grande.

Figura 11. Diagrama de un arreglo en fase general en términos de ruido de fase. Cada señal contiene términos de ruido que son una combinación de componentes de ruido distribuidos por la red. Al rediseñar un sistema desde esta perspectiva, puede ser más fácil ver la correlación frente al seguimiento de ruido no correlacionado a nivel del sistema. Si los diseñadores comienzan con el oscilador de referencia del sistema y logran la distribución del LO y el reloj con hardware de nivel de canal, puede ser más fácil visualizar los contribuyentes de ruido en un sistema grande.

Referencias

1 Pedro Delos. msgstr «Un modelo de ruido de fase LO a nivel de sistema para arreglos en fase con bucles sincronizados en fase». Analog Devices, Inc., noviembre de 2022.

2 Peter Delos y Mike Jones. «Matrices digitales utilizando transceptores comerciales: ruido, efecto fantasma y linealidad». Conferencia IEEE Phased Array, octubre de 2022.

3 Pedro Delos. «Modificación de la relación de potencia explicada: ¿Cuál es la diferencia entre PSMR y PSRR?» Dispositivos analógicos, Inc., marzo de 2022

4 Peter Delos y Jarrett Liner. «Las mediciones de ruido de fase DAC mejoradas permiten aplicaciones DDS de ruido de fase ultrabajo». Diálogo analógico, Mirar. 51, No.3, agosto de 2022.

5 Pedro Delos. msgstr «Funciones de transferencia de ruido en bucle de fase bloqueada.» Electrónica de alta frecuencia, enero de 2022.

6 Pedro Delos. «La supresión de ruido de fase del transceptor mejora el rendimiento con LO externo». Analog Devices, Inc., octubre de 2022.

Jones, Michael, Travis Collins y Charles Frick. «El DSP integrado en los circuitos integrados DAC/ADC mejora los sistemas de banda ancha multicanal». Dispositivos analógicos, Inc., mayo de 2022.

msgstr «Medidas de ruido residual de 2 puertos». Nota de aplicación de Rohde & Schwarz.

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