Передискретизация и увеличение разрядности АЦП, вопрос по реализации Опции

[Alexashka]

Всем добрый день!

Встала такая задача: у имеющегося 10-битного АЦП нужно повысить эффективную разрядность до 12 бит. 

Структуру дельта-сигма АЦП вполне представляю, но там отсчеты фильтруются sinc-фильтром высокого порядка. А мне бы нужно попроще, с минимумом вычислений.

Прочитал эту статью  Enhancing_ADC_resolution_by_oversampling.pdf ( 117.96 килобайт ) Кол-во скачиваний: 561
однако остались вопросы. Например я делаю передискретизацию в 16 раз. Т.е это означает увеличение эфф.разрядности на 2 бита. При должной фильтрации наверно так и будет. Но в статье предлогается брать сумму по группам из 16 отсчетов. Внутренний голос подсказывает, что при этом произойдет увеличение шумов в корень из 16 раз, т.е в 4 раза (если считать в LSB). Однако вес одного LSB теперь будет в 16 раз меньше (входной диапазон напряжений АЦП остался тем же, а диапазон "кодов" на выходе сумматора вырос в 16 раз). Т.е если перевести полученный с сумматора код в "вольты", то эффективный шум вроде как уменьшается в 4 раза. Так ли это и какой смысл после этого делать деление на 16 -сигнал станет чище конечно, но шумы квантования при этом возрастают? 

[sup-sup]

Всем добрый день!
Встала такая задача: у имеющегося 10-битного АЦП нужно повысить эффективную разрядность до 12 бит. ..

Делал что-то подобное с 12-битным ADS788. Нужна была полоса до 100 кГц, а частоту сэмплирования можно было выбрать до 2 МГц (при питании 3.3В). В первую очередь подыскал АЦП, чтобы SFDR (Spurious free dynamic range) (кроме подходящей цены, скорости, и т.д..) был бы побольше, чем как для 12 бит. У ADS788 он 86 дБ как раз на 100 кГц, что соответствует примерно 14 разрядам. Сделал пробные оцифровки с частотой примерно 1500 ksps, посмотрел сигнал и сделал по нему спектр и спектрограмму (много раз с разными настройками). Действительно, получил нижний уровень не хуже -90 дБ относительно полной шкалы. Дальше было все понятно - делать FIR фильтр, децимацию. Кроме того, что внутренние шумы оказались меньше одного шага квантования, что приводило к тому, что при оцифровке сигнала, меньшего чем шаг квантования, АЦП выдавал один и тот же код длительное время. Естественно, это приводило к тому, что фильтровать на некоторых существенных отрезках было нечего. Выкрутился тем, что вне полосы подал тон (хотел шум, но простого меандра хватило) с уровнем выше шага квантования и тогда действительно был получен уровень -90 дБ.
Выводы сделал такие, что 1) - нужен АЦП с 'повышенной внутренней разрядностью', пусть хоть он 8-битный и 2) - возможно, для улучшения диапазона в полосе придется добавить шум вне полосы, который потом отфильтровать (почти как в сигма-дельте).
Для оценки фильтра можно применить тот же FFT анализ, подбирая подходящее окно, которое и является импульсной характеристикой фильтра. Понятно, применение прямоугольного окна (что эквивалентно простому суммированию, допустим, по 16 точек) менее эффективно, чем сглаживающего окна. И надо при выборе окна обязательно знать его частотную характеристику, чтобы в полосе сигнала получить единичную передачу (или какая нужна), а все, что вне полосы задавить на минимально необходимую величину.

Сообщение отредактировал sup-sup - Apr 1 2011, 19:12

[Alexashka]

Делал что-то подобное с 12-битным ADS788. Нужна была полоса до 100 кГц, а частоту сэмплирования можно было выбрать до 2 МГц (при питании 3.3В). В первую очередь подыскал АЦП, чтобы SFDR (Spurious free dynamic range) (кроме подходящей цены, скорости, и т.д..) был бы побольше, чем как для 12 бит. У ADS788 он 86 дБ как раз на 100 кГц, что соответствует примерно 14 разрядам. Сделал пробные оцифровки с частотой примерно 1500 ksps, посмотрел сигнал и сделал по нему спектр и спектрограмму (много раз с разными настройками). Действительно, получил нижний уровень не хуже -90 дБ относительно полной шкалы. Дальше было все понятно - делать FIR фильтр, децимацию. Кроме того, что внутренние шумы оказались меньше одного шага квантования, что приводило к тому, что при оцифровке сигнала, меньшего чем шаг квантования, АЦП выдавал один и тот же код длительное время. Естественно, это приводило к тому, что фильтровать на некоторых существенных отрезках было нечего. Выкрутился тем, что вне полосы подал тон (хотел шум, но простого меандра хватило) с уровнем выше шага квантования и тогда действительно был получен уровень -90 дБ.
Выводы сделал такие, что 1) - нужен АЦП с 'повышенной внутренней разрядностью', пусть хоть он 8-битный и 2) - возможно, для улучшения диапазона в полосе придется добавить шум вне полосы, который потом отфильтровать (почти как в сигма-дельте).
Для оценки фильтра можно применить тот же FFT анализ, подбирая подходящее окно, которое и является импульсной характеристикой фильтра. Понятно, применение прямоугольного окна (что эквивалентно простому суммированию, допустим, по 16 точек) менее эффективно, чем сглаживающего окна. И надо при выборе окна обязательно знать его частотную характеристику, чтобы в полосе сигнала получить единичную передачу (или какая нужна), а все, что вне полосы задавить на минимально необходимую величину.

Возникли вопросы. Спуры это палки которые постоянно сидят в спектре? Всмысле никакая фильтрация их уже не уберет если они попадают в полосу частот? У меня спектр чистенький до -120дб ровная полоска.
Чтобы оценить "внутреннюю разрядность"... я так понял можно делая FFT на длительной реализации? Чтобы FFT работало как избирательный фильтр убирающий шумы квантования. И тогда спуры будет видно?

Для оценки фильтра можно применить тот же FFT анализ, подбирая подходящее окно, которое и является импульсной характеристикой фильтра. Понятно, применение прямоугольного окна (что эквивалентно простому суммированию, допустим, по 16 точек) менее эффективно, чем сглаживающего окна.

Не понял. Окно (взвешивающая функция) нужно чтобы минимизировать артефакты FFT преобразования. Т.е просто убирает сигнал вначале и в конце реализации. Разве оно работает как НЧ фильтр? Вы предлогаете делать свертку функции окна с сигналом? Зачем?

[sup-sup]

Возникли вопросы. Спуры это палки которые постоянно сидят в спектре? Всмысле никакая фильтрация их уже не уберет если они попадают в полосу частот? У меня спектр чистенький до -120дб ровная полоска.
Чтобы оценить "внутреннюю разрядность"... я так понял можно делая FFT на длительной реализации? Чтобы FFT работало как избирательный фильтр убирающий шумы квантования. И тогда спуры будет видно?

Не понял. Окно (взвешивающая функция) нужно чтобы минимизировать артефакты FFT преобразования. Т.е просто убирает сигнал вначале и в конце реализации. Разве оно работает как НЧ фильтр? Вы предлогаете делать свертку функции окна с сигналом? Зачем?

Не вижу причины, по которой результат должен быть хуже, чем от FFT. Если в нужной нам полосе получается 120 дБ, то его же (120 дБ) можно получить и методом 'фильтрация - децимация'. То есть, дополнительных разрядов получается значительно больше, чем 2. Если линейность АЦП 120 дБ обеспечивает. Кстати, в сигма дельте результат также зависит от порядка модулятора.

Ну да, для нулевой частоты FFT как раз ФНЧ. Свертка делается между сигналом и окном. Для других частот уже получается (от перестановки результат ведь не меняется) свертка сигнала с косинусным и синусным ядром полосового фильтра. Только, действительно, это я не в тему, так как фильтр будет другой, для всей полосы. Но длина фильтра будет примерно как у понравившегося режима FFT

В том-то и дело, что любое окно в фильтре КИХ служит для уменьшения пульсаций АЧХ за пределами полосы пропускания (боковых лепестков) путем расширения основного, расширения полосы пропускания. Вот я и сомневаюсь, что через такую АЧХ не пролезет больше шума.

Не вижу противоречия. Фильтр-то один. Просто ядро у одного упрощенное и требует меньше ресурса. А у другого позволяет получить подходящую характеристику. То есть, в общем случае применяется FIR. А прямоугольное окно - это один из его вариантов (вырождений).

Сообщение отредактировал sup-sup - Apr 2 2011, 17:06