試験・計測分野では、柔軟性と性能のトレードオフが一般的に求められてきました。Moku:Proは、5GSa/s、10ビットADCと10MSa/s、18ビットADCからの信号を特許取得済みのブレンディング方式で組み合わせることで、これらのトレードオフを克服し、低ノイズフロアと10Hz～600MHzの高ダイナミックレンジを実現します。これは、バランスの取れたハイパスフィルタとローパスフィルタで構成されるデジタルクロスオーバーネットワークによって実現され、デュアルADCデータストリームをリアルタイムでブレンディングします。
従来、テスト機器が単一の機能またはアプリケーション向けに設計されている場合、特定の測定要件と信号特性に最適化された ADC を選択することで、これらのトレードオフのバランスを取ることができます。対照的に、ソフトウェア定義計測器の多用途性は、多様なアプリケーションに対応する機会をもたらしますが、それらすべてに対応できるアナログフロントエンドを設計するのは困難です。より具体的には、Moku:Pro は、単一の ADC では最適化されない幅広い測定シナリオに対応するように設計されています。
アナログフロントエンド設計と従来のトレードオフ
フロントエンドの性能は、デジタル化された信号の下流の解析、処理、ロギングの忠実度に基本的な制限を与えます。しかし、アナログ／デジタルコンバータ（ADC）の選択には、高帯域幅のために長期安定性を犠牲にするなどのトレードオフを伴うのが一般的です。図１は、異なる信号周波数に最適化された２つのADCのノイズスペクトルの例を示しています。
図1：1つのADCのノイズスペクトル。高周波数と低周波数でノイズが増加（XNUMX/fノイズ）し、ホワイトノイズレベルも増加している様子が分かります。高周波信号（赤）と低周波信号（青）に最適化されたADCのスペクトルが表示されています。
周波数スペクトル全体で高品質の信号を構築するための新しい FPGA ベースの処理技術
最新のソフトウェア定義計測器の真の可能性を引き出すには、最新のアプローチが必要です。Moku:Proのフロントエンドには、100つの高性能ADCが搭載されています。優れた帯域幅と高周波ノイズ特性を持つ5 GSa/s、10ビットADCと、低周波音響信号に最適化された10 MSa/s、18ビットADCが組み合わされています。バランスのとれたハイパスフィルタとローパスフィルタで構成されるデジタルクロスオーバーネットワークにより、ADCデータストリームをリアルタイムでブレンドし、10 Hzから600 MHzまでの広いダイナミックレンジと低ノイズフロアを実現します。これらのフィルタを同じクロックドメインでデジタル的に実装することで、フィルタリング特性を高度に制御できますが、相当な処理能力（毎秒数百ギガ演算）が必要です。幸いなことに、Moku:Proの強力なFPGA（Xilinx Ultrascale+システムオンチップ）はこのタスクに対応でき、リソースのごく一部しか使用せずに、レイテンシに目立った影響を与えることなく、データストリームをリアルタイムで組み合わせることができます。その結果、すべてのフーリエ周波数において最適な信号対雑音比を持つ、単一のシームレスなデータストリームが得られます。このように、ソフトウェア定義計測における大きな課題の一つが、その最大の特長である強力なリアルタイム信号処理によって解決されます。仕組み
全体的なノイズを最小限に抑えることは重要ですが、フィルタリングネットワークを設計する際の重要な考慮事項は、信号のユニティ ゲイン周波数応答を維持することです。 図２は、ブレンドする前に両方のパスで同じデジタル フィルター構造を使用することでこれを実現する１つの簡単な方法を示しています。 BNC コネクタからの信号は、高速 (上のパス) と低速 (下のパス) の両方の ADC に分岐する前に、図の左側に表示されます。 上のパスは １-TF(f) によってハイパス フィルター処理されます。ここで、TF(f) はローパス フィルターの伝達関数です。 一番下のパスでは、単純な TF(f) 伝達関数が適用されます。 再結合された信号は、１-TF(f) + TF(f) = １ の合計入出力伝達関数を持ち、したがってユニティゲインになります。 どちらのフィルターもデジタルで実装されているため、完全に一致します。
図2: ユニティゲイン伝達関数を使用した周波数依存ADCブレンディングの明確な実装を示すブロック図。
また、ADC が異なるサンプルレートで動作しているため、フィルタリングネットワークも複雑になります。データストリームは、混合されたデータストリーム内のアーティファクトの出現を減らすために、結合する前に適切にアップコンバートまたはダウンコンバートする必要があります。 ADC サンプルレートが異なることで生じる追加の考慮事項は、アンチエイリアシングです。一般に、アナログアンチエイリアシングフィルターは各 ADC の入力に存在し、各信号パスに対する周波数応答の影響を考慮する必要があります。図３は、この状況の簡略化されたブロック図を示しています。高速パスに対するアンチエイリアシング フィルター (図示せず) の影響は無視できます。このシナリオでは、アナログローパスフィルターはデジタルローパスフィルターと一致する必要があります。幸いなことに、デジタルフィルターの柔軟性により、最も一般的なアナログフィルタータイプとほぼ一致することができます。 Moku:Pro の FPGA では、このフィルタは、キャリブレーション時にコンポーネントの公差によりユニットごとに異なる可能性があるアナログフィルターの個々の特性に合わせて調整することもできます。
図 3: 低速パスのアナログ アンチエイリアシング フィルタを、高速パスの対応するデジタル ローパス フィルタで補正するブレンディング ネットワーク。