Здравствуйте!

Есть желание цифровать сигнал в полосе DC-500MHz с 12-битной разрядностью. Вопросы тактирования, кормления и прочих приседаний с АЦП пока опустим. Я знаю, что проблем там будет... гм... БУДЕТ. Но эту часть я себе более-менее представляю, или хотя бы знаю, куда идти.
А вот с аналоговыми фильтрами у меня пока не очень. Прошу помощи мирового разума.

Для начала вопросы возникают с тем, на какую полосу и подавление его вообще следует делать.

У Analog'а, например в CN0238, предлагается ставить "антиалиасинг"-фильтр с полосой пропускания больше Fs/2. Насколько я понимаю, это имеет смысл только для снижения влияния внеполосного шума. И однозначно предполагает, что сигнал на входе УЖЕ укладывается в полосу Fs/2. Ну, за исключением шумов малой амплитуды.

Но ведь если мы не знаем, какую полосу имеет входной сигнал, нам нужен "жёсткий" антиалиасинг-фильтр? Для 12 бит это будет что-то в районе 70dB (плюс-минус характеристики АЦП и прочие неидеальности) подавления выше Fs/2, или максимум 3/4 Fs, если предполагается потом дофильтровать в цифре. Если полосу пропускания поставить 500MHz, то даже со страшным фильтром 10го порядка, Fs должна быть под ~1700 MSPS, что довольно грустно выглядит на фоне классических "найквестовских" 1000.

Если брать фильтры меньших порядков, скажем, 4-5, то Fs и вовсе взлетает до 3-5 GSPS...

Тут и возникают вопросы, для решения которых мне категорически не хватает практических знаний
Существуют ли вообще на практике фильтры 10го порядка? Если да, то с чем предстоит столкнуться при их проектировании и особенно реализации? Отбор деталей вручную с ом/С-метром, чтобы характеристики фильтра не уплыли невесть куда? Калибровка каждого экземпяра устройства и цифровая компенсация фильтра, потому что всё равно уплывут? Или вообще калибровка каждого экземпляра по всему диапазону температур?

Если нет, то как быть? Повышать частоту дискретизации в несколько раз, чтобы цифровать никому не нужную переходную полосу, или есть ещё какие-то варианты?

Что за сигнал будете цифровать? АЦП работает также и как смеситель (модулятор) и переносит в рабочую полосу частот сигналы с частотами кратными частоте его тактирования - "алиасинговые" каналы.
Если оцифровываете в приемнике сигнал промежуточной частоты для последующей цифровой обработки, то недофильтрованный "алиасинг" ухудшит избирательность по соседнему каналу.
Да, других вариантов нет: или 1) повышать частоту тактирования, или 2) повышать "крутизну" фильтра, или 3) комбинация 1) и 2).

Это не совсем радио, скорее что-то типа осциллографа. Сигнал с какой-то научной установки, нужно максимально точно получить картинку сигнала, реальная полоса заранее неизвестна, поэтому хочется сфильтровать всё по-честному.

Что других путей нет, я догадывался, да

Тогда собственно главный вопрос - имеет ли право на жизнь фильтр 10-14 порядка?

Для примера сгенерил 10й порядок Баттерворта в Analog'овском фильтро-калькуляторе - там даже при изрядно хороших допусках на детали (1% конденсаторы, 0.1% резисторы) получается, что амплитуда в полосе пропускания может варьироваться плюс-минус процентов 10 (~1dB).
В принципе, может это и не очень беда, если предусмотреть возможность калибровки, это надо будет ещё обдумать...

Или может быть у фильтров таких высоких порядков есть ещё какие-то проблемы, которые мне пока в голову не пришли? Может что-то с фазой? (тут я пока сильно плаваю... Но теорию-то я в процессе разработки подтяну, главное - с самого начала не ошибиться в параметрах раз в несколько. А то примерно так и получилось - пока не задумался о фильтре, как-то по умолчанию думал о частоте сэмплирования как об 1 гигасэмпле)

Оцифровать 0-500 МГц с Fs = 1 ГГц ни как не получится.
Надо оставить запас на переходную полосу фильтра (область от полосы пропускания до полосы задерживания).
Удобно получается если частота Fs/2 ложится в середину переходной полосы. Аналогично как у полуполосного фильтра из ЦОС.
Например ФНЧ с полосой пропускания 400 МГц и началом полосы задерживания на 600 МГц.
Я такой фильтр делал, проблем не было, но требуется настройка. Если опыта и приборов нет - ничего не выйдет.
Не ломайте голову - возьмите готовый SXLP-400+ от MCL.
Этот фильтр имеет полосу пропускания 430 МГц по срезу -3 дБ, а в полосе 550-1000 МГц обеспечивает подавление не менее -50 дБ.
Для Вашего "осциллографа" хватит с головой.

Если сделать частоту квантования 1200MHz, надо будет обеспечить 70dB затухания на частоте 700MHz, где начинается паразитная полоса. С этим должен справиться ФНЧ 13-го порядка с неравномерностью в полосе пропускания 0,2dB.
Способы реализации могут быть различными: коаксиальная структура с разъемами или на плате с печатными индуктивными шлейфами и подстроечными конденсаторами.

Сообщение отредактировал Proffessor - Oct 14 2013, 07:44

Да, я как раз всё это примерно и писал, может не очень ясно выражался )


Вот за эту штуку спасибо! Искал такие, но пока не находил.
Правда, 50 дБ маловато всё же. На 12 бит надо децибел 70, на худой конец 60, да и то это уже как-то не очень.

UPD: Ещё раз спасибо за наводку на Mini-Circuits! Там дофига разных фильтров, может что и приспособим/скомбинируем.

Но даже если приспособим, знания никогда лишними не бывают
Да и вообще, сделать такой фильтр самостоятельно, если позволят условия проекта, будет и полезно, и интересно.

В общем, если расскажете подробнее, буду очень благодарен!
Приборы есть, образование физическое, так что всё остальное - вопрос времени на чтение, пробы и ошибки. А время это изрядно сокращается, если есть у кого почерпнуть опыт )
Так что:
Фильтр был пассивный? Вообще на таких частотах активные применяются, или не имеют смысла?
Какого порядка?
Индуктивности сами делали?
В чём заключалась настройка? Переделывали дроссели/подбирали кондёры или какие-то из деталей закладывались изначально подстроечными?
С фазой как-то заморачивались, или она не имела значения?

О! Пока распинался, тут уже почти на всё ответили )


Спасибо! Сразу стало понятно, в каком направлении идти )
Коаксиальное, это не очень технологично (или просто для меня вне зоны комфорта?), а второй вариант - как раз то, что надо.
И программа полезная ) И горы красивые

PS Но если кто ещё поделится опытом, буду рад и благодарен!

Любопытно будет проследить генезис прозрения топикстартера, до момента "какой же я был наивный ...!" Судя по "реальная полоса заранее неизвестна", "сигнал с какой-то(!) научной(!) установки"...

Ну, прозрений будет ещё много, я не сомневаюсь )
И с фильтрами, и с АЦП, особенно, если будет окончательно решено не заморачиваться с экспортными ограничениями и ставить 6х200MSPSх12bit (калибровка и компенсация в цифре на лету разброса смещений нуля, усиления, aperture delay, возможно, неодинаковости АЧХ, клок с джиттером ~0.1 ps и нужными фазами, и вероятно всё это будет плавать с температурой...), и с разводкой, и с допусками на производстве PCB, и медитация на фазовые задержки, и ещё бог знает что. Всё это решаемо, я полагаю, главное - вдумчиво к этому подойти и постараться ничего не упустить.
Установка - времяпролётный спектрометр, кажется, сам с заказчиком не контактировал. Полосы 500МГц им достаточно для задачи, но выдаёт ли установка что-то за этими пределами, они и сами не факт, что знают. Да и просто из соображений железобетонности конструкции лучше фильтровать всё честно, если это не противоречит здравому смыслу. Как показал этот топик, вроде бы не противоречит )

Думаю, Вы перебарщиваете с подавлением. Если я правильно понимаю, Вам широкая полоса нужна для оцифровки некоторого очень короткого
процесса. Поэтому не забывайте про импульсную характеристику. Поставите "длинный" фильтр с большим подавлением - получите очень длинную
во времени реакцию этого фильтра на короткое входное воздействие. И тогда будет Ваш "осциллограф"показывать свою импульсную характеристику
вместо входного процесса. В таких случаях нужен разумный баланс между частотной характеристикой (фильтрация) и временной (импульсная).
В данном случае желание все честно фильтровать оборачивается нерабочим изделием.
Крепко подумайте - что Вам нужно сделать.

Здесь ваш тезка имеет проблемы, хотя, похоже, уже съел не одну собаку в этом деле.

+100500

с фильтром,наподобие того что предложил Proffessor, вы на своем самдельной осциллографе сможете наблюдать неискаженно во временной области только синусы в диапазоне 100-500 МГц .
Для сигналов "типа импульсов" выбор формы АЧХ фильтра характеризуется тем , что Баттерворт , Чебышев , эллиптический - фтопку.
Если сигналы короче 10 нс , то о 12 битах точности оцифровки реального сигнала уже можно не беспокоиться на частоте квантования 1..2 Gs/s. (никогда не получите)

Возьмите для начала какой-нибудь Лекрой скоп с 10-20 гигасемплами, и проведите эксперименты с использованием прибора, в котором часть ваших проблем уже решена. Позже определитесь с полосой и точностью ( во временной области по ПХ) для научных целей и от этого уже отталкиваться и ставить вопрос о разработке и расходовании средств.

Сообщение отредактировал тау - Oct 14 2013, 09:54

Проблема, я так понимаю, в ГВЗ фильтра, которое должно быть постоянным во всей полосе пропускания, но тогда - Гаусс, Бессель и др. господа. Если Чебышев или Кауэр, то с дополнительным фазовым корректором, выравнивающим ГВЗ.

Сообщение отредактировал Proffessor - Oct 14 2013, 11:42

+1. Не вижу проблемы в этом месте. Уж если фильтруем, то, значит, все нужные нам гармоники сигнала проходят через фильтр. Что не прошло, то не нужно.

При высокой прямоугольности фильтра, ГВЗ уже не исправить, тут надо выбирать или одно или другое. Залезал в высокоскоростные осциллографы - у всех порядок фильтра не более 2, и частота дискретизации минимум в 3-4 раза больше полосы.

Кстати постоянно пользуюсь подобной возможностью современных осциллографов перед разработкой.
Например мой китайский простенький Rigol DS6104 может записать целых 140мс на частоте 1ГГц, затем грузим в какой-нибудь матлаб и балуемся с фильтрами.

А может для научных исследований хватит просто осциллографа и не надо ничего разрабатывать, особенно если это импульс?