биение амплитуды при оцифровке синусоиды AD1871 Опции

[hoochie_coochie_...]

Подскажите новичку что это. При оцифровке синусоиды с генератора (АЦП AD1871, 48кГц) с частотами близкими к 4кГц, 8кГц, 16кГц, на оцифрованном массиве вижу биения амплитуды. По мере приближения к 1/2 частоте сэмплирования их размах достигает 90%!!. аналоговый ФНЧ на входе картину не меняет. Чё с этим делать?

[Vascom]

У цифровой фильтрации много достоинств, однако если на выходе АЦП полезного сигнала фактически нет, напр., из-за подавления мощной помехой, то никакие цифровые методы не помогут.
Я согласен, что сканировать помеху, особенно мощную, с неизвестными параметрами в цифре проще. Однако...

...устранять ее в полосе сигнала в цифре можно, только если отношение мощностей сигнал/(помеха+шум) позволяет для данного вида модуляции и детектора. Для ваших -70 дБ вряд ли это возможно, во всяком случае уж точно не для GPS L1 C/A, для которого -30 дБ предел.

Как раз таки возможно. Например, 10-разрядный АЦП даёт динамический диапазон 54 дБ, при такой помехе потерь в корреляторе практически не будет, далее ещё ~25 дБ даёт коррелятор.
К тому же, даже если помеха находится в полосе сигнала, то с ней борется не коррелятор, а цифровой адаптивный фильтр.

..."любой" - это не техническая постановка задачи, и соответственно оптимального решения может не иметь.

Все помехи имеют свою классификацию и параметры, а приемник - свои слабые места. Вот из этого и надо исходить.

Согласен. Однако, у меня и нет конкретного технического задания и конкретных параметров помех. Просто стоит задача создать АРУ, чтобы при отсутствии помех потерь не было, а при их наличии потери были минимальными. В результате проведённых исследований такая АРУ эффективна на большом диапазоне помех, при некоторых особых параметрах помехи эта АРУ уже неэффективна, но и помехи такие маловероятны.

Сообщение отредактировал Vascom - Sep 27 2009, 11:48

[samurad]

Как раз таки возможно. Например, 10-разрядный АЦП даёт динамический диапазон 54 дБ, при такой помехе потерь в корреляторе практически не будет, далее ещё ~25 дБ даёт коррелятор.
К тому же, даже если помеха находится в полосе сигнала, то с ней борется не коррелятор, а цифровой адаптивный фильтр.

Интесно, как 10 разрядов дают диапазон уровня в 54 дБ? Мой калькуляятор дает 10*log10(2^10)=30 дБ.

"...ещё ~25 дБ даёт коррелятор" - вы складываете "коровы" и "бульдозеры"?

[Vascom]

Интесно, как 10 разрядов дают диапазон уровня в 54 дБ? Мой калькуляятор дает 10*log10(2^10)=30 дБ.

"...ещё ~25 дБ даёт коррелятор" - вы складываете "коровы" и "бульдозеры"?

У вас калькулятор с багом. Во первых, АЦП работает с амплитудой, а не с мощностью, поэтому умножать надо на 20. Во вторых, 1 разряд отводится на знак, поэтому 2 должна быть в 9-й степени. То есть 20*log10(2^9)=54.185.

Почему же коровы и будьдозеры. Гляди, при амплитуде помехи 54 дБ она полность давится фильтром и на выходе коррелятора нет ни каких потерь. Далее, если амплитуда помехи возрастает, появляются потери на корреляторе, линейно зависящие от амплитуды помехи. Но сигнал со спутников имеет достаточную мощность, чтобы принимать его при потерях до 20 дБ, соответсвенно и помеха может быть на 20 дБ больше. Так понятно?

Возможно вы подумали, что я мерил помеху по мощности в dBm или т.п.? А я имел в виду отношение амплитуды помехи к сигме шума на входе антенны приёмника.

[samurad]

У вас калькулятор с багом. Во первых, АЦП работает с амплитудой, а не с мощностью, поэтому умножать надо на 20. Во вторых, 1 разряд отводится на знак, поэтому 2 должна быть в 9-й степени. То есть 20*log10(2^9)=54.185.

Почему же коровы и будьдозеры. Гляди, при амплитуде помехи 54 дБ она полность давится фильтром и на выходе коррелятора нет ни каких потерь. Далее, если амплитуда помехи возрастает, появляются потери на корреляторе, линейно зависящие от амплитуды помехи. Но сигнал со спутников имеет достаточную мощность, чтобы принимать его при потерях до 20 дБ, соответсвенно и помеха может быть на 20 дБ больше. Так понятно?

Возможно вы подумали, что я мерил помеху по мощности в dBm или т.п.? А я имел в виду отношение амплитуды помехи к сигме шума на входе антенны приёмника.

Чем дальше в лес, тем больше дров...

1. Немного введения. Стандартная формула децибельного выражения любой величины X: X_dB-U := 10*log10(X), где ":=" - по определению, а "U" - физическая размерность X, напр., dB-W, либо ничего, если X безразмерная, напр. отношение мощностей сигнал/шум. "20" перед log10(.) возникает, когда X = Y^2 и X_dB = 10*log10(Y^2) = 2*10*log10(Y), напр., когда Y - амплитуда колебания, а X - его мощность. Но мы то говорим об амплитуде, не так ли?

2. Говоря о динамическом диапазоне D обычно подразумевают амплитуду, а точнее (максимальную) разницу амплитуд суммы сигнала с шумом и всеми помехами: D := А_sum_max - A_sum_min. Для АЦП с 10-ю разрядами, на его выходе А_sum_max = 2^(10-1)-1, А_sum_min = -2^(10-1), соответственно
D = 2^(10-1) - 1 - (-2^(10-1)) = 2*2^(10-1) - 1 ~= 2^10.
Поэтому динамический диапазон на выходе вашего АЦП остается 30 дБ-В. Это "коровы". Но они не главное. А главное, брат, в чем? Правильно, в "бульдозерах", т.е., отношении мощностей сигнала к шуму и помехи на входе АЦП.

3. За отсутствием перегрузки (пересыщении) разрядности АЦП, которая безвозвратно и полностью искажает сигнал, следит аналоговая или аналогово-цифровая АРУ (AGC) перед АЦП (ADC). Пусть N_ADC и e_AGC разрядность АЦП и относительная доля динамического диапазона на выходе АЦП, реально используемая для предотвращения перегрузки из-за шума, соответственно. Тогда для линейного АРУ-АЦП нетрудно показать, что все уровни сигнала будут оцифровываться на выходе АЦП ровно в ноль, т.е., полностью теряться, если сигнал/помеха q < q_min, где
q_min = 0.25/(e_AGC*2^(N_ADC-1))^2.
Графики q_min показаны на прилагаемом рисунке. Отсюда видно, что для N_ADC = 10 и e_AGC = 0.9, q_min = -60 dB.

4. На входе вашей системы, как вы писали, помеха может превышать шум на 70 дБ, допустим по мощности, а как известно GPS L1 C/A сигнал ниже шума прим. на 20 дБ по мощности, соответственно отношение мощностей q = -90 dB. Как видно из рисунка, при такой помехе для прохождения минимально полезного сигнала через АЦП необходимо мин. 15 бит (при относительно большом входном сигнал/шум, т.е., если приемник плавает в криогене , иначе и 16 бит не хватит).

Заметьте, про коррелятор пока было сказано ни слова. Если сигнала на его входе нет, то и на выходе ждать нечего.

Вы неподскажете почему мой калькулятор считает 20*log(2^10)=60дБ?

Правильный калькулятор, похоже , а у автора 20*log(2^9). Только в данной теме "20*log" смысла не имеет, как я объяснил выше.

Эскизы прикрепленных изображений

 

[Vascom]

Чем дальше в лес, тем больше дров...

1. Немного введения. Стандартная формула децибельного выражения любой величины X: X_dB-U := 10*log10(X), где ":=" - по определению, а "U" - физическая размерность X, напр., dB-W, либо ничего, если X безразмерная, напр. отношение мощностей сигнал/шум. "20" перед log10(.) возникает, когда X = Y^2 и X_dB = 10*log10(Y^2) = 2*10*log10(Y), напр., когда Y - амплитуда колебания, а X - его мощность. Но мы то говорим об амплитуде, не так ли?

2. Говоря о динамическом диапазоне D обычно подразумевают амплитуду, а точнее (максимальную) разницу амплитуд суммы сигнала с шумом и всеми помехами: D := А_sum_max - A_sum_min. Для АЦП с 10-ю разрядами, на его выходе А_sum_max = 2^(10-1)-1, А_sum_min = -2^(10-1), соответственно
D = 2^(10-1) - 1 - (-2^(10-1)) = 2*2^(10-1) - 1 ~= 2^10.
Поэтому динамический диапазон на выходе вашего АЦП остается 30 дБ-В. Это "коровы". Но они не главное. А главное, брат, в чем? Правильно, в "бульдозерах", т.е., отношении мощностей сигнала к шуму и помехи на входе АЦП.

Э нет, в вашем примере в пункте 2 D := А_sum_max - A_sum_min есть амплитуда, а мощность в данном случае будет амплитуда в квадрате. Значит это не 30 дБ (не понятно, что у вас означает дБ-В), а 60 дБ, не так ли, согласно вашему пункту 1?
Здесь стоит уточнить, что в GPS информация заложена не в амплитуде, а в фазе сигнала. Когда мы проводим корреляцию, мы умножаем входной сигнал на его несущую, тем самым сдвигая сигнал в 0 по частоте. Затем, мы умножаем входной сигнал (который в идеале уже представляет последовательность положительных и отрицательных импульсов типа меандра но псевдослучайно) на опорную псевдослучайную последовательность из 1 и -1. В итоге (в идеальном случае) получаем постоянный уровень 1*А_входного_сигнала. То есть из 2^10 остаётся только 2^9 (остаётся только модуль сигнала), то есть 54 дБ.

3. За отсутствием перегрузки (пересыщении) разрядности АЦП, которая безвозвратно и полностью искажает сигнал, следит аналоговая или аналогово-цифровая АРУ (AGC) перед АЦП (ADC). Пусть N_ADC и e_AGC разрядность АЦП и относительная доля динамического диапазона на выходе АЦП, реально используемая для предотвращения перегрузки из-за шума, соответственно. Тогда для линейного АРУ-АЦП нетрудно показать, что все уровни сигнала будут оцифровываться на выходе АЦП ровно в ноль, т.е., полностью теряться, если сигнал/помеха q < q_min, где
q_min = 0.25/(e_AGC*2^(N_ADC-1))^2.
Графики q_min показаны на прилагаемом рисунке. Отсюда видно, что для N_ADC = 10 и e_AGC = 0.9, q_min = -60 dB.

4. На входе вашей системы, как вы писали, помеха может превышать шум на 70 дБ, допустим по мощности, а как известно GPS L1 C/A сигнал ниже шума прим. на 20 дБ по мощности, соответственно отношение мощностей q = -90 dB. Как видно из рисунка, при такой помехе для прохождения минимально полезного сигнала через АЦП необходимо мин. 15 бит (при относительно большом входном сигнал/шум, т.е., если приемник плавает в криогене , иначе и 16 бит не хватит).

Заметьте, про коррелятор пока было сказано ни слова. Если сигнала на его входе нет, то и на выходе ждать нечего.

Правильный калькулятор, похоже , а у автора 20*log(2^9). Только в данной теме "20*log" смысла не имеет, как я объяснил выше.

Сразу скажу, я указывал выше, что помеха может превышать шум (а не сигнал) по амплитуде (а не помощности) на 70 дБ. Если быть точным то сигму (корень из дисперсии) шума.

Здесь вы в корне не правы, похоже не имеете достаточно знаний по GPS сигналу.
Да, сигнал ниже шума, но это не имеет значения. Достаточно оцифровать смесь сигнала с шумом 1 битом и мы уже будем иметь потери не более 3 дБ вне зависимости от отношения сигнал/шум. Если стоит 10-разрядный АЦП, то АРУ не допускает падения сигнала на входе этого АЦП до такого уровня, когда весь сигнал оцифровывается нулями. Одним словом, если нет помех (не шума, а именно помех), то для беспроблемной оцифровки сигнала достаточно 2 бит (уровни -1 0 1).
Далее, если помеха есть, то АРУ укладывает эту помеху точно в раскрыв АЦП, то есть помеха+шум+сигнал оцифровывается без искажений. Затем цифровой фильтр отсекает помеху, остаётся только сигнал+шум, который идёт на коррелятор. Соответственно этот сигнал+шум может содержаться в 1 бите после удаления помехи - этого достаточно для обычной работы коррелятора без потерь. Отсюда, помеха может быть на 54 дБ больше, но мы её удаляем и работаем спокойно. Если же помеха превышает 54 дБ, то это не означает, что сигнал+шум на входе коррелятора будет равен 0, там просто будет дополнительный шум, который приведёт к потерям, но коррелятор позволяет работать при потерях до 20 дБ.

насчет АЦП вы глубоко не правы LTC2209 16 бит 160мгц, AD9461 16бит 130мгц.

Не понял причем тут небо и два канала - просто с одного приемного вч тракта сигнал цифруется двумя ацп настроеными на разный уровень сигнала и в цифре принимается решение с какого канала использовать информацию.
Плюс если вы управляете АРУ через цифру то почему не используете в обработке информацию о текушем уровне аттенюаторов (чтото вродже АЦП с плаваюшей точкой)

Примеры ваших АЦП не дотягиваю до моих требований, мне нужно 200 МГц тактовая (при 100 МГц полосы), как я уже говорил. Например, Analog Devices может обеспечить лишь 12 бит для требуемых условий. При этом я не упоминал о потребляемой мощности данного АЦП, считая это несущественным в свете разбираемой проблемы. На деле же я не могу поставить микросхему AD9410, потребляющую 2.4 Вт, это нереальная печка. Требуется не более 0.3 Вт.
Так же, два АЦП потребляют слишком много и удваивают число входных ножек для микросхемы обработки. Мне нужна двухантенная система со всеми возможными диапазонами (L1, L2, E5), при 10-разрядном АЦП это будет 60 входных ножек, при вашем варианте уже 120 входных ножек, сигнал по которым идёт с частотой 200 МГц. При современно технологическом уровне изготовления микросхем (40 нм) это очень много, такой чип будет греться сильно и требовать принудительного охлаждения. Для GPS-приёмников это крайне много и нежелательно.
К тому же даже два АЦП не спасут, если помеха импульсная. Если амплитуда резко повышается, обе АЦП тут же перегружаются и быстрая АРУ в любом случае необходима.

Так же не надо слепо верить характеристикам, указанным на сайте. Для вашей микросхемы AD9461 16бит 130мгц достаточно заглянуть в даташит, где чёрным по белому указана интегральная нелинейность INL +-7 младших разрядов (LSB) то есть от их 16 бит остаётся один пшик. (Для микросхем на 10 бит INL составляет +-0.7 разряда.)

Сообщение отредактировал Vascom - Sep 30 2009, 20:45