Oversampling и большое усиление Опции

[djhall]

Задача у меня такая:
Нужно очень сильно усилить сигнал в диапазоне частот от 0 до 2МГц. Усиление должно быть 80dB и более, но даже при 80 dB самый малошумящий усилитель будет выдавать огромные шумы уже сравнимые с размахом входа АЦП. Как мне быть? Можно ли применить oversampling для улучшения отношения сигнал шум? Может ли это увеличить усиление? Я так вроде прочитал про oversampling оно вроде даёт эффект увеличения разрешения АЦП, что мне вобщем-то без надобности, какая разница какое разрешение у АЦП если шум забъёт его вход.

[Xenia]

Проблемы автора темы живо напоминают мне проблемы ЭЭГ (ЭлектроЭнцефалоГрафии), где исходный сигнал мал, но его необходимо оцифровать с максимально возможным разрешением. В таких случаях используются входной усилитель с коэффициентом усиления порядка х1000, а то и совместно с PGA АЦП, который дает еще дополнительное усиление на порядок.

Однако автор темы заявил об усилении 80db, что соответствует усилению в миллион раз. Это много. Очень. И тут проблема даже не в том, что входной усилитель имеет собственные шумы, а в том, что исходный сигнал, как правило, не бывает настолько чистым, чтобы после усиления в миллион раз выглядеть прилично. Фактически это требование означает 1 мкВ на шкалу, а в таком масштабе ожидать малошумящий сигнал не приходится. Да и вообще, на уровне единиц микровольт всё живет своей бурной жизнью даже в отсутствие полезного сигнала. Это и емкостные наводки от сети, и даже радиоволны.

Например, при съёмке ЭЭГ делают специальную комнату, где все стены, пол и потолок представляют собой металлические экраны (хотя поклеить поверх них обои можно). Т.е. проблема шума тут даже не аппаратного свойства, а исходно присуща самому сигналу. При этом одни лишь методы цифровой фильтрации помочь тут не могут, т.к. при таком масштабе усиления проблематично даже удержать сигнал в пределах шкалы АЦП, т.к. он норовит зашкалить вверх или вниз уже лишь по причине своего дрейфа, не говоря уж об амплитуде шума. А оцифрованный сигнал с зашкалами малопригоден для цифровой обработки, т.к. в области зашкала прибор фактически слепнет.

Поэтому, хочешь или не хочешь, но входной усилитель обязан быть одновременно и фильтром. Причем, зачастую очень сложным фильтром, отсекающим не только слишком высокие частоты (выше частоты дискретизации АЦП, но и крайне низкие (компенсация дрейфа), а то и иметь эффективное подавление на частоте 50 Гц, если от сетевой помехи не удалось избавиться экранированием.

Что касается оверсамплинга, то теоретический предел его возможностей - это "интегрирующий" АЦП, например, типа сигма-дельта. Такой АЦП можно условно представить себе, как бесконечно частый оверсамплинг с последующим усреднением. Такой АЦП сгладит шум настолько, насколько это возможно при заказанной периодичности оцифровки, но полностью подавить шум не сможет. Формула улучшения соотношения сигнал/шум пропорционально квадратному корню из числа оверсамплов при больших значениях N уже несправедлива, т.к. реально эта зависимость скоро выходит на горизонталь, где дальнейшее увеличение N проку не дает. Т.е. практически с помощью оверсамплинга можно получить еще один десятичный знак и не более того.

Кроме того, оверсамплинг на высоких частотах дискретизации сопряжен со сложностью накопления сумм, т.к. DMA складывать не умеет, а вызов процедуры прерывания (внутри которой очередное измерение суммировалось бы с предыдущими) дорог по времени. Тогда как сигма-дельта АЦП хороши лишь на частотах до десятков КГц, а выше их достоинства быстро испаряются. Тем не менее, мне пришлось их упомянуть, поскольку в интервал 0-2 МГц они входят, хотя и не охватывают весь этот интервал целиком. Для целей ЭЭГ ничего лучше сигма-дельта АЦП нет, но как быть при частотах под мегагерц, дать совет не могу (не сталкивалась до сих пор с такой задачей).