Vorteile der Filterung von Signalen mit analogen oder digitalen Verfahren?

Zwei Teile zu dieser Antwort. Der erste ist, dass es so etwas wie einen digitalen Anti-Aliasing-Filter nicht gibt. Bevor das analoge Signal zur Verarbeitung in ein Rechengerät gelangen kann, muss sichergestellt werden, dass die Nyquist-Kriterien erfüllt werden oder dass die Verletzungen zumindest gering sind. Dies bedeutet, dass in vielen Fällen eine analoge Filterung auf einem gewissen Niveau erforderlich ist.

Angenommen, Sie können Ihr Signal in ein Rechengerät einspeisen, kann die Filterung sicherlich ein digitaler Prozess sein, und die Entscheidung, ob Sie analog oder digital arbeiten, hängt von zahlreichen Faktoren ab. Wie viel Rechenleistung benötigen Sie beispielsweise, um das zu erreichen, was Sie erreichen möchten? Bedeutet es, auf einen größeren, schlechteren Mikrocontroller oder sogar einen DSP umzusteigen? Was wird das kosten? Gibt es Fachwissen, um dies zu erreichen? Wie lange wird die Entwicklung dauern? Fangen Sie bei Null an oder müssen Sie den Filter in eine große Tüte mit vorhandenem Code stecken, was bedeutet, dass es Probleme beim Projektmanagement geben kann. Sind die Firmware-Leute die gleichen wie die Hardware-Leute oder ist es ein ganz anderes Team?

Wenn Sie bereits für das Sampling vorgefiltert haben, wird eine bescheidene analoge Ergänzung Ihrer Schaltung Ihre Probleme lösen? Wird das weniger kosten als digital? Ist auf Ihrem Board Platz dafür? Haben Sie bereits Ersatz-Opamps auf Ihrem Board?

Einige Leute könnten auf regulatorische Probleme stoßen. Wenn es sich beispielsweise um ein medizinisches Gerät handelt, werden Software und Hardware fast als separate Geräte betrachtet, und wie viel Geld/Zeit Sie für die Validierung/Verifizierung aufwenden, hängt möglicherweise davon ab, ob Sie Hardwarefilter verwenden oder digitale Filterung.

Manchmal können Sie auf Probleme mit der Abtastrate stoßen und wie viel Platz Sie im Frequenzbereich haben, um Ihre Filterung durchzuführen. Wenn Sie beispielsweise mit 200 Hz sampeln und bei 98 Hz einen sauberen Filter benötigen, ist dies digital schwierig. Tatsächlich müssen Sie möglicherweise Oversampling oder Upsampling durchführen, filtern und dann dezimieren. Solche Probleme treten im analogen Bereich nicht auf (obwohl steile Filter immer noch kostspielig sein können).

Außerdem kann das Filtern Ihre Hardware verlangsamen. Möglicherweise müssen Sie größere Wörter verwenden, als Ihr ADC vorschreibt, um sicherzustellen, dass Sie nicht überlaufen. Möglicherweise fügen Sie eine Reihe langsamer Teilungen hinzu. Wenn Sie Geschwindigkeit brauchen und Ihre digitale Plattform marginal ist, könnte Sie das in Richtung analog drängen.

Sie vergessen die zugrunde liegende Mindestanforderung für digitale Filter: Der analoge Eingang muss eine Bandbreite von weniger als der Hälfte der Abtastrate haben. Ohne analoge Filter auf dem ersten ADC erfüllen digitale Filter dieses Kriterium nicht garantiert, und Aliasing ist ein großes potenzielles Problem.

Wenn diese erste Hürde genommen ist, haben digitale Filter einen großen Vorteil bei der Realisierung komplexer Filter höherer Ordnung. Sie leiden nicht unter Komponentendrift oder -empfindlichkeit. Für analoge Filter höherer Ordnung kann dies ein großes Problem darstellen. Kondensatoren werden einfach nicht mit extrem hoher Präzision hergestellt, sodass ein solcher Filter einen komplexen und teuren Abstimmungsprozess erfordert und sich dann mit der Zeit verschlechtern kann, wenn die Komponenten altern.

Es wird also ein Urteilsspruch. Wenn es um niedrige Komponentenkosten und geringe Komplexität geht, sind analoge Filter oft die besten.

Wenn eine hohe Leistung (hohe Ordnung und präzise Filtereigenschaften) oder eine sehr hohe Stabilität benötigt wird, ist normalerweise digital angezeigt. Und schließlich, wenn die Filtereigenschaften geändert werden müssen, kann ein digitales Filter normalerweise neu programmiert werden, während ein analoges Filter normalerweise ersetzt werden muss.

1) Analogfilter werden dort verwendet, wo ihre inhärente Phasenverschiebung kein Problem darstellt und eine scharfe Grenzfrequenz nicht erforderlich ist.

2) Digitale Filter werden am besten für In-Band-Filterung und komplexe IIR-Flanken (sehr scharfer Roll-Off) verwendet, die mit analogen Filtern nicht möglich sind.

3) Die beiden Typen werden oft kombiniert, wenn ADC-Wandler verwendet werden. Ein einfacher analoger Filter entfernt Außerbandfrequenzen, die vom ADC nicht benötigt werden, und hilft, Nyquist-Fehler basierend auf der Abtastrate des ADC zu verhindern, einschließlich aller unerwünschten DC-Inhalte.

4) Das digitale Filter handhabt Frequenzen innerhalb des Bandes, wo ein schmales Durchlassband benötigt wird, um nützliche Informationen zu extrahieren. Kammfilter verwenden mehrere Durchlassbänder, oder der ADC sucht möglicherweise nach einer „Wellenform“ innerhalb eines breiten Bands, aber mit scharfen Grenzfrequenzen.

Bevor eine digitale Filterung angewendet werden kann, muss eine A/D-Wandlung durchgeführt werden. Dazu ist ein Filter erforderlich, um Aliasing zu vermeiden. Je nach Art des ADC und Oversampling reicht entweder ein einfaches RC-Filter oder es wird ein aktives Filter benötigt.

Nach der A/D-Wandlung ist eine digitale Filterung möglich, aber die Signalqualität wird immer noch durch die Qualität des ADC begrenzt.

Wird das gefilterte Signal im analogen Bereich benötigt, muss eine D/A-Wandlung folgen. Dies führt zu Stromverbrauch und Latenz. Für einige Anwendungen (z. B. Rauschunterdrückung) kann die Latenzzeit ziemlich herausfordernd sein.

Die digitale Filterung hat jedoch viele Vorteile, und aufgrund der Skalierung kann die digitale Schaltung sehr klein und effizient gemacht werden. Aus diesem Grund gibt es einen klaren Trend zur digitalen Signalverarbeitung.

Da die Welt um uns herum analog ist, werden analoge Filter für Schnittstellenschaltungen und dergleichen noch lange notwendig sein.