Фильтр перед АЦП. Нужен ли?, Конкретно, для оцифровки РЛС сигналов. Опции

[Serhiy_UA]

Есть морские гражданские РЛС работающие в Х – диапазоне. На выходе приемопередатчика РЛС видеосигнал с полосой 3..30 МГц. Этот сигнал оцифровывается АЦП с частотой 20 МГц и далее визуализируется на экране компьютера. При этом первичной цифровой обработки нет (ни БПФ, не цифровых фильтров). Вторичная обработка – это перенос изображения на компьютерную карту и адаптивная пороговая обработка. Вот такая система.

Ставили перед АЦП аналоговый фильтр до 9МГц, но работали и без фильтра. Разницы в восприятии РЛС изображения не ощущается.

Сейчас, из соображений необходимости соответствия теореме отсчетов, продвигается идея поставить КИХ-фильтр с АЦП на 80МГц, затем децимация до тех же исходных 20 МГц.

В моем представлении здесь КИХ-фильтр избыточен, т.е. можно обойтись без строгого соблюдения теореме отсчетов. Так ли?

[V_G]

Думаю, все зависит от помеховой обстановки. Потенциально фильтрация должна несколько повысить контрастность изображения. Но если локатор испытывали только в одной местности и только в благоприятной помеховой обстановке, то эффекта вполне могли и не увидеть.

Избыточен ли КИХ фильтр, неясно. Но в любом случае он стоит после АЦП, а сигнал теореме отсчетов должен соответствовать ДО АЦП.

[Serhiy_UA]

к V_G
По поводу благоприятной помеховой обстановки, согласен, можно и не заметить. Нужны критерии и наборы статистик, тогда все будет точно, но это не малые исследования и сложный путь.

А спектр сигнала ограничен 3..30МГц, так что можно смело подавать на вход АЦП с тактом 80МГц , без входного фильтра. Теорема отсчетов выдержана.

Забыл уточнить, КИХ-фильтр проектируется взамен аналогового, т.е. с полосой опять до 9МГц (там 30-й и более порядок).

[Gyga]

Если сигнал свыше 9 МГц не перегружает АЦП то должно быть нормально.

[Serg76]

к V_G
По поводу благоприятной помеховой обстановки, согласен, можно и не заметить. Нужны критерии и наборы статистик, тогда все будет точно, но это не малые исследования и сложный путь.

какие исследования, не понимаю? не морочьте себе голову, ставьте фильтр на частоту Найквиста, спокойнее будет, все остальное выделите уже в цифре, да хоть тем же самым КИХ фильтром.

[V_G]

А спектр сигнала ограничен 3..30МГц, так что можно смело подавать на вход АЦП с тактом 80МГц , без входного фильтра. Теорема отсчетов выдержана.

Ну, так это про спектр сигнала. Но к нему же прибавляются и шум и помехи. И не только из эфира, но и изнутри аппаратуры. Так что фильтр до АЦП крайне желателен, иначе будете рассматривать на экране полосы от импульсного БП и засветку от белого шума.
ЗЫ. Кстати, для спектра сигнала 30 МГц, 80 МГц - очень даже не высокая частота дискретизации. Если бы дальше предполагалась серьезная цифровая обработка, потребный аналоговый фильтр был бы весьма нетривиальным.

[Major]

Вы сообщите какой SFDR ожидаете, или ENOB при детектировании вашего сигнала.
Уровень шума АЦП при нулевом входе (только согласующие цепи, без приемной антенны).
Уровень шума когда нет сигнала радара, только "эфир".
Может быть у вас такой сигнал на входе, что никакие помехи не страшны.

[polyakovav]

У радаров в режиме моноимпульса обычно спектр спадающий типа sin(x)/x. Можно КИХ-фильтр делать согласованный с формой сигнала - он получится сравнительно короткий и соотношение с/ш будет оптимальным.
Аналоговый фильтр перед АЦП тоже лучше поставить с плавно спадающей от 2/T АЧХ (если форма импульсов не изучается).

[Serhiy_UA]

Вопрос поднят по причине, что достаточно много лет фильтра перед АЦП не было совсем, да и сейчас часто не ставим. То есть, сигнал сразу на АЦП (через усилители смещения, конечно), а картинка хорошая. Свои помехи малы: на уровне 2..5 младших разрядов. Смотрели анализатором спектра входной сигнал перед АЦП, в общем, полоса 3..30 МГц выдерживается.
Потом перед АЦП поставили аналоговый фильтр, фирменный, а полоса на анализаторе сигнала стала короче. В фильтре длинная цепочка из LC-элементов и с хорошей формой характеристики, правда, фильтр чебышевский.

Как писал, не замечено, большой видимой разницы между ситуациями без фильтра и с фильтром. Более тонкие оценки получить труднее, да и проще пройти проторенным путем: фильтр и все. Хотя, сомнения остаются …

[polyakovav]

Разницу можно заметить только при малых значениях сигнала вблизи порога чувствительности, и (если радиотракт обеспечивает нужную избирательность) при наличии помех от питания и цифры на входные цепи (V_G выше уже об этом писал). Фильтр перед АЦП хорошо иметь хотя бы из соображений ЭМС с чужой аппаратурой, а то случаи бывают разные. К примеру, скорая помощь поставила однажды диспетчерскую КВ-радиостанцию рядом с нашими пеленгаторами, и пришлось фильтры ПЧ перепроектировать

[Дмитрий_Б]

Фильтр лучше поставить, но только такой, чтобы переходной процесс был коротким и монотонно затухающим. Тогда проблемы с ЭМС не возникнет и картинка по дальности не испортится. Чебышевский большого порядка - чересчур.

[Tano]

к Serhiy UA
.."продвигается идея поставить КИХ-фильтр с АЦП на 80МГц.." КИХ - аналоговый?

[Serhiy_UA]

Здесь КИХ-фильтр цифровой. В этом варианте сигнал непосредственно поступает на АЦП с частотой дискретизации 80МГц, затем цифровая КИХ фильтрация с этим же тактом, и последующее прореживание до исходных 20МГц. В итоге добиваемся некого цифрового антиалиасинга, заодно утилизируем свободные ресурсы в используемой FPGA (Cyclone III EP3C40Q240C8).

В варианте с аналоговым антиалиасинговым фильтром марки SCLF-8.4 (см., *.pdf в приложении), сигнал сначала фильтруется и поступает на АЦП с частотой 20МГц. Здесь все по классике, только этот фильтр имеет чебышевский характер и при обкатке тестового прямоугольного импульса дает на его вершине небольшие колебания, с которыми, в общем-то можно и смириться, хотя он иногда и досаждает.. .

Ну и, в изначальном варианте, который тоже удовлетворял, никакого антиалиасингового фильтра не было вообще, сигнал просто поступал на АЦП с дискретизацией 20МГц.
Вариант с КИХ-фильтром сейчас обкатывается, а два предыдущих варианта эксплуатируются ряд лет на нескольких станциях.

Кстати, про теорему отсчетов популярно сказано в http://dspsys.org/adc/42-samplingtheorema

Время от времени меня посещает мысль, что в такой специфической сфере, как прием и обработка сигналов видео от приемников РЛС, можно обходиться и без антиалиасингового фильтра. То есть фильтр и нужен для защиты от помех и ЭМС, но не обязательно для соответствия теореме отсчетов.
По моему, вопрос упирается (и может разрешится) с разработкой точных математических критериев оптимальности (что тоже не просто) и в проведении большого объема экспериментальных работ по накоплению статистик. Хотя, согласен, можно и не заморачиваться.

Всем откликнувшимся большое спасибо за замечания и соображения!

[AlexeyW]

Фильтр лучше поставить, но только такой, чтобы переходной процесс был коротким и монотонно затухающим. Тогда проблемы с ЭМС не возникнет и картинка по дальности не испортится. Чебышевский большого порядка - чересчур.

Абсолютно так - фильтры с большой добротностью сильно растянут переходной процесс, ухудшат точность - а что дает прямоугольность характеристики, непонятно. Фильтр Беселя или чуть выше, высокого порядка - вроде самое то.
Более того, если правильно смоделировать фильтр под конкретный входной сигнал (импульс радара), то сигнал можно сжать по времени, амплитуда его увеличится.

[shf_05]

Время от времени меня посещает мысль, что в такой специфической сфере, как прием и обработка сигналов видео от приемников РЛС, можно обходиться и без антиалиасингового фильтра. То есть фильтр и нужен для защиты от помех и ЭМС, но не обязательно для соответствия теореме отсчетов.

пока помех нет и сигнал в нужной полосе частот все и так удовлетворяет теореме отчетов, если вдруг возникнет помеха вне полосы вашего сигнала, пусть такая, что находится в n-й зоне Найквиста, то тут как раз фильтр нужен для выполнения теоремы отчетов.
Не исключено, что помех нет т.к. определенную "фильтрацию" выполняет антенна устройства и тракт приемника, но все же советую все же применять хотя бы простейший RC фильтр на входе платы ибо помеха может все таки быть и не все операционники и АЦП адекватно ведут себя при наводках радиочастотного диапазона даже при частоте помехи выше диапазона рабочих частот операционника (АЦП).
АЦП на 80МГц лучше тем, что сигнал помехи должен быть за частотой 40 а не 10МГц чтобы "переносится по частоте" и аналоговый фильтр при этом можно попроще выбрать.