테스트 및 측정 분야에서 유연성은 일반적으로 성능 저하를 초래합니다. Moku:Pro는 특허받은 블렌딩 방식을 통해 5GSa/s, 10비트 ADC와 10MSa/s, 18비트 ADC 신호를 사용하여 이러한 상충 관계를 극복하고, 낮은 잡음 플로어와 10Hz~600MHz의 높은 동적 범위를 제공합니다. 이는 듀얼 ADC 데이터 스트림의 실시간 블렌딩을 구현하는 균형 잡힌 고역 통과 필터와 저역 통과 필터로 구성된 디지털 크로스오버 네트워크를 통해 구현됩니다.
전통적으로 테스트 장비가 단일 기능이나 애플리케이션용으로 설계되면 특정 측정 요구 사항과 신호 특성에 최적화된 ADC를 선택하여 이러한 절충안을 균형 있게 조정할 수 있습니다. 이와 대조적으로 소프트웨어 정의 계측의 다양성은 다양한 범위의 애플리케이션을 처리할 수 있는 기회를 제공하지만 모든 요구 사항을 충족할 수 있는 아날로그 프런트 엔드를 설계하는 것은 어려운 일입니다. 보다 구체적으로 Moku:Pro는 단일 ADC가 최적화되지 않는 광범위한 측정 시나리오를 처리하도록 설계되었습니다.
아날로그 프런트엔드 디자인과 전통적인 절충안
현대 디지털 테스트 장비의 중요한 부분은 고품질 아날로그 프런트 엔드를 갖추는 것입니다. 프런트 엔드 성능은 디지털화된 신호의 다운스트림 분석, 처리 및 로깅의 충실도에 대한 근본적인 한계를 설정하기 때문입니다. 그러나 아날로그-디지털 변환기(Analog-digital converter, ADC)를 선택하려면 일반적으로 고대역폭에 대한 장기적인 안정성을 희생하는 등의 절충안이 필요합니다. 그림 1은 서로 다른 신호 주파수에 최적화된 두 ADC의 노이즈 스펙트럼 예를 보여줍니다.
그림 1: 두 ADC의 잡음 스펙트럼. 고주파 및 저주파에서 잡음이 증가하는 모습(1/f 잡음)과 백색 잡음 레벨을 보여줍니다. 고주파 신호(빨간색)와 저주파 신호(파란색)에 최적화된 ADC의 스펙트럼을 보여줍니다.
진동수 스펙트럼 전반에 걸친 고품질 신호 구성을 위한 새로운 FPGA 기반 처리 기술
최신 소프트웨어 정의 계측의 잠재력을 최대한 활용하려면 현대적인 접근 방식이 필요합니다. Moku:Pro의 프런트 엔드는 두 개의 고성능 ADC를 통합합니다. 탁월한 대역폭과 고주파 잡음 특성을 지닌 5 GSa/s, 10비트 ADC와 저주파 음향 신호에 최적화된 10 MSa/s, 18비트 ADC가 함께 사용됩니다. 균형 잡힌 고역 통과 및 저역 통과 필터로 구성된 디지털 크로스오버 네트워크는 ADC 데이터 스트림을 실시간으로 혼합하여 10Hz에서 600MHz까지 낮은 잡음 플로어와 높은 동적 범위를 제공합니다. 동일한 클록 도메인에서 이러한 필터를 디지털 방식으로 구현하면 필터링 특성을 정밀하게 제어할 수 있지만 상당한 처리 능력(초당 수백 기가 연산)이 필요합니다. 다행히 Moku:Pro의 강력한 FPGA(Xilinx Ultrascale+ 시스템 온 칩)는 이러한 요구 사항을 충족하며, 극히 일부 리소스만 사용하여 지연 시간에 거의 영향을 주지 않고 실시간으로 데이터 스트림을 결합할 수 있습니다. 그 결과, 모든 푸리에 주파수에서 최적의 신호 대 잡음비를 갖는 끊김 없는 단일 데이터 스트림이 생성됩니다. 따라서 소프트웨어 정의 계측의 주요 과제는 강력한 실시간 신호 처리라는 소프트웨어 정의 계측의 가장 큰 장점 중 하나를 통해 해결됩니다.정말 가능합니까?
전체 노이즈를 최소화하는 것도 중요하지만, 필터링 네트워크를 설계할 때 고려해야 할 주요 사항은 신호에 대한 단위 이득 진동수 응답을 보존하는 것입니다. 그림 2는 블렌딩하기 전에 두 경로 모두에서 동일한 디지털 필터 구조를 사용하여 이를 달성하는 간단한 방법 중 하나를 보여줍니다. BNC 커넥터의 신호는 고속(상위 경로) 및 저속(하위 경로) ADC로 분기되기 전 다이어그램 왼쪽에 나타납니다. 상위 경로는 1-TF(f)에 의해 고역 통과 필터링됩니다. 여기서 TF(f)는 저역 통과 필터의 전달 함수입니다. 하단 경로는 간단한 TF(f) 전달 함수를 경험합니다. 재결합된 신호는 1-TF(f) + TF(f) = 1의 총 입출력 전달 함수를 가지므로 단위 이득을 갖습니다. 두 필터 모두 디지털로 구현되므로 완벽하게 일치합니다.
그림 2: 단위 이득 전달 함수를 사용한 진동수 종속 ADC 블렌딩의 명확한 구현을 보여주는 블록 다이어그램.
ADC가 서로 다른 샘플링 속도로 작동한다는 사실로 인해 필터링 네트워크도 복잡해집니다. 혼합된 데이터 스트림에서 아티팩트의 모양을 줄이려면 데이터 스트림을 결합하기 전에 적절하게 상향 또는 하향 변환해야 합니다. 다양한 ADC 샘플링 속도로 인해 추가로 고려해야 할 사항은 앤티앨리어싱입니다. 일반적으로 아날로그 앤티앨리어싱 필터는 각 ADC의 입력에 존재하며 각 신호 경로에 대한 주파수 응답의 영향을 고려해야 합니다. 그림 3은 이 상황에 대한 단순화된 블록 다이어그램을 보여줍니다. 고속 경로에 대한 앤티앨리어싱 필터(표시되지 않음)의 영향은 무시할 수 있습니다. 이 시나리오에서는 아날로그 로우 패스 필터가 디지털 로우 패스 필터와 일치해야 합니다. 다행스럽게도 디지털 필터의 유연성으로 인해 가장 일반적인 아날로그 필터 유형과 거의 일치할 수 있습니다. Moku:Pro의 FPGA에서 이 필터는 교정 시 구성 요소 허용 오차로 인해 장치마다 다를 수 있는 아날로그 필터의 개별 특성에 맞게 조정할 수도 있습니다.
그림 3: 저속 경로의 아날로그 앤티앨리어싱 필터를 보상하고 고속 경로의 일치하는 디지털 저역통과 필터를 갖춘 블렌딩 네트워크.