יישומי תעופה וחלל ויישומי הגנה דוגמת לוחמה אלקטרונית ומכ”ם אקטיבי בעל מערך מופע (phased array) דורשים לעתים קרובות את השימוש בתחום קצבי Nyquist בעל דירוג גבוה יותר כדי להפעיל תקשורות בעלות תדר רחב יותר. לא רק שדרוש רוחב-פס מצוי רחב יותר מ-ADC של מערכת, אלא גם מערכות לוחצות על הצורך ברוחב-פס בהספק מלא גבוה יותר. אם רוחב-הפס בתדר המבוא של ADC הוא גבוה דיו, ניתן להמיר כלפי מטה ישירות בתוך ה-ADC על-ידי דגימה פחותה של פס אותות ה-IF בעל העניין.
אותות מבוא בעלי רחבי-פס גבוהים יותר מאפשרים דגימת RF ישירה של אותות בעלי פס רחב יותר. דבר זה מרשה את ההקטנה האפשרית של שלב שלם בשרשרת האותות למען הספק מערכת נמוך יותר ופשטות. ADCs GSPS מהדור הבא מאפשרים דגימה בתחום הגיגה-הרץ עמוק בתוך פס Nyquist השלישי והרביעי, עם היכולת גם להשיג את התחום הדינמי הדרוש לשם גילוי אותות קטנים. ADC בעל פס רחב המציע גם תחום דינמי יותר גבוה מאפשר למערכת להנמיך את רצפת הרעש יותר כדי לפענח אותות הספק חלשים יותר אשר היו נבלעים אחרת בתוך הרעש.
איור 1. רוחב-פס ADC רחב בהספק מלא מאפשר שימוש בתחומי Nyquist מסדר גבוה יותר. סינון מעביר-פס של אזורי Nyquist ללא שימוש הוא הכרחי כדי להסיר אנרגיית אותות בלתי-רצויה העשויה בפוטנציה להיכלל לתוך ה-Nyquist הראשון ולהשפיע על התחום הדינמי
כדי שמערכת תשחזר את האות המקורי בשלמותו מהנתונים הדגומים, משפט הדגימה של Nyquist-Shannon מראה שקצב הדגימה צריך להיות פעמיים רוחב-הפס בעל העניין; שונה בתכלית מקצב דגימה שהוא כפליים רכיב התדר IF המרבי. תת-דגימה של ADC היא הטכניקה של שימוש בתדר הדגימה, שהוא פחות מכפליים רכיב התדר המרבי בתחום האות. רוחב-הפס של האות בעל העניין צריך עדיין להיות בתוך קצב Nyquist יחיד או במחצית מקצב הדגימה של ה-ADC. ניתן לכנות טכניקה זו גם כדגימה הרמונית, דגימה מעבירה-פס או דגימה על-Nyquist.
כדי לקיים את משפט הדגימה של Nyquist-Shannon, שימוש ב-BW כרוחב-פס האותות בעל העניין, דרוש תדר דגימה של FS>2BW. רוחב-הפס בעל העניין של האות יכול להיות בין dc ל-BW או מ-x ל-y היכן ש-BW הוא y-x. כל עוד רוחב-הפס בעל העניין איננו עובר על תחום Nyquist של ה-ADC, שהוא מחצית קצב הדגימה (FS), תת-דגימה יכולה לפעול עבור תחומי אות גבוהים יותר עם ה-ADCs בעלי רוחב-פס בהספק מלא (full power bandwidth- FPBW) ביחס לקצב הדגימה התואם שלהם כמוצג באיור 1.
חשאיות היא היבט חשוב בפעולות הצבאיות. כדי להקטין את סבירות היירוט או הגילוי, הצורה והממד של שידור מכ”ם מתוכנן (במקרים רבים) כדי לפזר אנרגיה על התחום הרחב ביותר האפשרי של תדרים. סבירות נמוכה של יירוט (Low probability of intercept וסבירות נמוכה של גילוי Low probability of detection,- LPD)) הן סוגיות של מערכות מכ”ם בעלות מאפיינים מסוימים של ביצועים ההופך אותן לכמעט בלתי-מתגלות על-ידי מקלטי היירוט החדשים של היום. תכונות ה-LPI מונעות מהמכ”ם להיכשל במערכות אזעקה או ציוד גילוי מכ”ם פאסיבי.
איור 2. מערכות בעלות ספקטרום רחב ורצף ישיר דורשות רוחב-פס רחב של המקלט ותחום דינמי גבוה מאחר שתחום האותות בעל עניין מאופנן ברעש אקראי מדומה (pseudorandom noise – PN) כדי להזיז את התקשורת אל רצפת הרעש
כדי לספק התנגדות בפני חסימה, ניתן לבנות מערכות על-ידי בנייה אקראית חכמה ופיזור פולסי המכ”ם בתוך תחום רחב כך שיהיה רק אות קטן מאוד בתחום כלשהו, דבר הידוע כספקטרום רחב בעל רצף ישיר (direct sequence spread spectrum-DSSS) כמוצג באיור 2.
ספקטרום רחב בעל קפיצות תדר (frequency hop spread spectrum – FHSS) גם מספק הגנה מסוימת נגד חסימה בתחום-מלא. במקרים אלה, אות השידור הרחב צורך רוחב-פס החורג ממה שדרוש עבור האות בעל העניין הגולמי. לכן, רוחב-פס רחב יותר של המקלט ותחום דינמי גבוה יותר דרושים כדי להמשיך לפתח את יכולת המערכת.
אחד הגורמים החשובים ביותר להצלחה במערכת LPI הוא להשתמש ברוחב-פס לשידור האות רחב ככל האפשר כדי להסוות צורות-גל מורכבות כרעש. דבר זה בתורו מספק אתגר בעל דירוג גבוה יותר לשם יירוט מערכות קליטה המבקשות לגלות ולפענח אותות בעלי רוחב-פס רחב אלה. לכן, בשעה שדבר זה יוצר שיפורים לקראת LPI ו-LPD, הוא גם מעלה את מורכבות מקמ”ש המכ”ם על-ידי יצירת מערכת שיכולה לקלוט את כל רוחב-הפס של המקמ”ש בו זמנית. היכולת של ADC להפוך לדיגיטלי 500 מגה-הרץ ו-1000 מגה-הרץ, כמו גם קטעים גדולים יותר מרוחב-הפס הספקטראלי בפס Nyquist יחיד, בעל תחום דינמי גבוה מסייע לספק אמצעי לטיפול באתגר מערכת זה. העברת תחומים אלה גבוה יותר בתדר מעל ה-Nyquist הראשון של ה-ADC עשויה להיות אף יותר בעלת ערך.
כיום ADCs רחבי-פס מציעים למערכות פוטנציאל של תחומי Nyquist רחבים מרובים בתוך אופן פעולה של תת-דגימה. אולם, שימוש
איור 3. טכניקת התת-דגימה יכולה בפוטנציה לבטל דרגת תת-המרה כאשר תחום תדר המבוא הגבוה יותר ניתן ישירות ל-ADC RF הדוגם
בתחום Nyquist ADC בעל דירוג יותר גבוה לדגימה דורש סינון של ביטול המדרוג בקצה הסופי ותכנון התדר כדי למנוע מהאנרגיה הספקטראלית לזלוג לתוך אזורי Nyquist אחרים. הוא גם מבטיח שהרמוניות בלתי-רצויות ואותות בעלי תדר נמוך אחרים לא ייכללו בתוך תחום העניין לאחר שקופל למטה אל ה-Nyquist הראשון. יש לתכנן כך את הזרימה כלפי מעלה של המסנן מעביר התחומים (band pass filter – BFP) של ה-ADC כדי לסנן החוצה אותות ורעש בלתי-רצויים שאינם קרובים לפס הרוחב הנומינלי בעל עניין. ADCs GSPS חדשים דוגמת ה-AD9234, AD9680 ו-AD9625 מציעים דגימת תחומי Nyquist מרובים עם תחום דינמי גבוה על-פני רחבי-פס במבוא רחבים.
מאחר שהטכניקה של דגימה ישירה מקפלת את אנרגיית האות מכל אזור בחזרה אל ה-Nyquist הראשון, אין דרך להבחין במדויק במקור של תדר התוכן. כתוצאה, אנרגיה נמוכת-רמה יכולה להופיע באזור Nyquist הראשון, דבר אשר יפחית את היחס אות-לרעש (signal-to-noise ratio – SNR) והתחום הדינמי החופשי מתדרים חופשיים (spurious-free dynamic range – SFDR). לסוגיות ספקטראליות יש פוטנציאל להכשיל יישומים ממשלתיים וצבאיים, הן של תקשורת והן של חישה.
מקמ”שי רדיו דיגיטליים עבור תקשורות צבאיות הן דוגמה אחרת של שימוש ב-ADCs ו-DACs מהירים שיכולים פוטנציאלית להחליף דרגת ערבל בתחום-בסיס מסורתי. לארכיטקטורה זו מספר יתרונות מאחר שניתן לבצע סינון מחמיר ודחיית ערוצים סמוכים בתחום הדיגיטלי לשם המרה לתחום-הבסיס.
דגימת RF ישירה מציעה מספר יתרונות עבור תכנונים של קצה סופי RF של מכ”ם. קודם כל, היא יכולה לאפשר הפחתת רכיבים, כפי שניתן לראות באיור 3, שם דרגת המרה כלפי מטה שלמה ניתנת לביטול. היא גם מבטלת את הצורך לתכנן שבב עירוב כדי להתאים לתכנית תדרים מותאמת במיוחד. שנית, היא יכולה לפשט את תכנון המקלטים מהדור הבא עבור רחבי-פס של אותות עתידיים ההופכים לזמינים בשעה שמערכות מכ”ם עוברות חידוש ועדכון. כל מה שעשוי להיות דרוש כדי לעבוד עם תדר גל נושא חדש הוא לבחור קצב דגימה מתאים ולכלול מסנן מעביר-פס מתאים. שלישית, אפשר להפוך קצה סופי RF יחיד למתאים עבור תחומי תדר מרובים, בהתחשב בקצבי נתונים שונים. גישה זו לתכנון קצה סופי של מקלט מכ”ם מרובה-תדרים מבטלת את הצורך בקצוות סופיים מרובים.
ADCs מהדור הנוכחי מציעים כיום ריבוי של גושי עיבוד פנימיים דיגיטליים להמרה לתדר נמוך (internal digital downconversion – DDC) לצורכי בחינה של תקשורת בתחום נמוך. כל DDC יכול ליישם את קצב הדסימציה (decimation rate) שלו ומתנד מבוקר-מספרית לצורכי מיקום כוננום בתוך תחום Nyquist. ניתן להשיג את שבח העיבוד בתוך רוחב-פס צר יותר אשר מסנן דיגיטלית רעש מחוץ-לתחום. דבר זה מקטין את נתוני המוצא של ה-ADC וממזער את מורכבות העיבוד ב-FPGAs ו-DSPs. אולם, הפיכה נוספת של ערוצים בעיבוד הנתונים ניתנת להיעשות גם במורד הזרם של ה-ADC.
מערכות תקשורת רחבת-פס וחישה דורשות ממירי נתונים בעלי מהירות גבוהה ביותר. ADCs GSPS מעודכנים דוגמת ה-AD9234, AD9680 ו-AD9625 לא רק מציעים קצבי דגימה גבוהים לשם רוחב-פס רגעי רחב יותר, אלא גם את היכולת לדגום מבואות בעלי תדר גבוה עם תחום דינמי גבוה מעל ה-Nyquist הראשון. ADC דוגם RF יחיד ישיר המשמש ברוחב-פס גבוה יכול בפוטנציה להחליף תת-מערכת דגימת IF או דגימה אפס של ערבלים, מסנתזי LO, מגברים ומסננים תוך השגת גמישות גדולה יותר. דבר זה עשוי להקטין את
Ian Beavers הוא מהנדס יישומים בצוות ה-ADCs המהירים של Analog Devices ב-Greensboro, NC. הוא עובד בחברה החל מ-1999.
עלות החומרים, זמן התכנון, גודל הכרטיס, משקל וצריכת הספק.
סימוכין
Kester, Walt. MT-002 Tutorial, What the Nyquist Criterion Means to Your Sampled Data System Design. Analog Devices, Inc.
Poshala, Purnachandar. “Why Oversample when Undersampling can do the Job?” EE Times India, June 2013.
Shea, John. Military Wireless Communications. University of Florida.
Stallings, William. Data and Computer Communications. Pearson Prentice Hall, 2013.
Zarr, Richard. “ADCs Feel the Need for Speed.” Electronic Design, 2014.
Ian Beavers הוא מהנדס יישומים בצוות ה-ADCs המהירים של Analog Devices ב-Greensboro, NC. הוא עובד בחברה החל מ-1999.
“Thermopad” היא סמל רשום של
.EMC Technology, Inc
