Wie wähle ich die ADC-Auflösung unter Berücksichtigung des SNR des Eingangssignals und der digitalen Signalverarbeitung aus?

Was ich wusste: Die Auswahl der ADC-Auflösung hängt vom ADC-Eigenrauschen und dem SNR des Eingangssignals ab.

Unsere Anwendung: Hochpräzise Messung von Signalen im Bereich 1kHz bis 10kHz. Wir möchten ein möglichst genaues Ergebnis erhalten, sogar ein 24-Bit-Ergebnis.

Die obige Aussage berücksichtigt jedoch nicht die digitale Signalverarbeitung nach der ADC-Abtastung.

Da DSP-Techniken wie FIR, FFT usw. das Rauschen stark reduzieren können, ist es möglich, dass eine Erhöhung der ADC-Auflösung auch das Messergebnis verbessert, wenn DSP-Techniken in Betracht gezogen werden?

Eine Sache, die Sie nicht erwähnt haben, ist die Frequenz der Signale, die Sie messen möchten. Dies ist ein Schlüsselfaktor bei der Bestimmung, welche Art von ADC Sie verwenden werden.
@ Nick, die gemessene Frequenz beträgt 1 kHz - 10 kHz. Und mein Hauptanliegen ist "ob DSP bei der Betrachtung der Adc-Auflösung eine Rolle spielt ..." Danke für den Hinweis, ich werde den Beitrag aktualisieren.
Auflösung und Abtastrate sind voneinander abhängig. Wenn Sie also versuchen, höherfrequente Signale mit hoher Auflösung zu charakterisieren, müsste alles andere in Ihrem System ziemlich schnell getaktet werden.
Sie befinden sich in einem optimalen Punkt für die Produktverfügbarkeit, da Sie sich im hörbaren Frequenzbereich befinden – es wird keinen Mangel an 24-Bit-ΣΔ-ADCs geben. Wie ich in einem anderen Kommentar sagte - ein Problem, mit dem Sie möglicherweise konfrontiert sind, ist das thermische / Eigenrauschen Ihres Sensors. Ich habe an Projekten gearbeitet, bei denen das Grundrauschen des Sensors der limitierende Faktor war. Das ist wahrscheinlich etwas, das Sie versuchen sollten zu charakterisieren, bevor Sie viel Mühe in den Rest des Systems stecken. Wenn Ihr Sensor nicht über den benötigten Dynamikbereich verfügt, spielt es keine Rolle, wie gut Ihre restliche Messhardware ist.
Eine weitere Überlegung: Wenn Sie VIELE Sensoren verwenden und die ADCs synchron abtasten können, fällt das unkorrelierte Rauschen aus, wenn Sie diese Signale kombinieren / mitteln. Das haben wir in dem oben genannten System getan, an dem ich gearbeitet habe (wir hatten mehrere hundert Audiokanäle), und das wird auch allgemein im Bereich der medizinischen Bildgebung gemacht: ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2253211

Antworten (4)

Als allgemeine Faustregel gilt, dass etwas, das nicht zu Ihrem Rauschbudget beitragen soll, mindestens um den Faktor 10 höher sein muss als die dominante Rauschquelle in Ihrer Signalkette. Wenn Sie beispielsweise eine Signalquelle mit einem SNR von 300:1 haben, betreiben Sie Ihren ADC mit 3000:1, und Sie können den ADC praktisch ignorieren.

Die einzige Möglichkeit, dies richtig zu machen, ist eine Geräuschanalyse.

Die Nachbearbeitung (z. B. über DSP) hat das Potenzial, hervorstechende Merkmale über dem Rauschen herauszufiltern, aber Sie müssen vorsichtig sein. Sie müssen über eine ausreichende Bittiefe verfügen, damit Sie keine Rundungs-/Kürzungsfehler einführen. Sie müssen sicherstellen, dass Sie die Art des Rauschens (Gaußian/Poisson pdf) erhalten, sonst kann das Grundrauschen auf unvorhersehbare Weise ansteigen und für DSP-Techniken möglicherweise nicht zugänglich sein. Diese Art von Schritten (angepasste Filter usw.) können das SNR in der Regel bestenfalls um Faktoren von verbessern N und oft folgen die Verarbeitungskosten (Anzahl der Operationen). N 2 daher werden solche Schritte oft schnell sehr teuer. Aber gegen eine richtige Analyse wird dies zeigen.

Ich möchte Sie davor warnen anzunehmen , dass eine DSP-Technik Ihr Rauschen automatisch reduziert. Es ist sehr wichtig, dass Sie Ihre Rauschquellen über eine Histogrammanalyse bestimmen, um sicherzustellen, dass die PDF (Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion) für die Verarbeitung geeignet ist. Das heißt, es erscheint gut erzogen, Gaußsch oder Poisson, ist nicht multivariat und stationär

Danke für deine Antwort. Schlagen Sie vor, die ADC-Auflösung als Quantisierungsrauschen zu behandeln? Auch die Rundungs- / Abschneidefehler sind Quantisierungsgeräusche, denke ich, ist das richtig? Könnten Sie bitte einige gute Materialien zur Geräuschanalyse vorstellen? Ich weiß es zu schätzen, dass Sie darauf hinweisen, dass der DSP von der Rauschnatur abhängt, über die ich keine Kenntnisse habe. Außerdem sprechen Sie bei PDF über Zeitbereich; Ist es nicht richtig zu sagen, dass alle Geräusche im Frequenzbereich gefiltert werden können, wie kann man sie in Beziehung setzen?
ADCs haben Quantisierungsrauschen, die Auflösung ist verwandt, aber etwas anderes. Das N, auf das verwiesen wird, ist die Anzahl der Abtastwerte, nicht die Bittiefe. Zeit- und Frequenzbereichsaktionen sind inhärent gekoppelt und NEIN, nicht alle Geräusche können geändert werden, man kann leicht Artefakte einführen.

Die ADC-Auflösung hängt alles von Ihrer Anwendung ab. Ehrlich gesagt, wenn Sie etwas verwenden, das einen großen Wertebereich erzeugen wird, wie Ton oder Hochfrequenz, benötigen Sie einen ADC mit einer höheren Auflösung. Wenn Sie nur versuchen, Messwerte von etwas wie einem RTD-Sensor zu nehmen, benötigen Sie wahrscheinlich kein hochauflösendes Gerät und können Kosten sparen. Eine zu berücksichtigende Sache ist auch, dass ADCs mit höherer Auflösung typischerweise langsamere Abtastzeiten haben. Sie erhalten also einen genaueren Messwert, aber nicht so viele wie im angegebenen Zeitraum. Wenn dies bei Audio der Fall wäre, würde ein ADC mit höherer Auflösung die Bandbreite erhöhen, aber die Bitrate verringern. Ihre anderen Bedenken können durch andere Schaltungsoptionen wie Filter und dergleichen angegangen werden. Aber wie ich schon sagte, es hängt alles davon ab, was Ihre Anwendung tatsächlich ist.

Danke für deine Antwort. Unsere Anwendung ist eine sehr hochpräzise Messung, so hoch wie möglich. Die Hauptfrage von May lautet: "Was ist der Einfluss von DSP (nach der ADC-Abtastung) auf die Auswahl der ADC-Auflösung".
@richieqianle - was Kyle meiner Meinung nach sagt / impliziert, bleibt nach Ihrem Kommentar wahr - es gibt Methoden, die die Auflösung eines kleinen Signals in einer Menge Rauschen erheblich verbessern können, aber wir kennen Ihre spezifische Anwendung nicht und können daher nicht wissen, ob es welche gibt oder einige dieser Techniken gelten.
Alles, was ein DSP tut, sind mathematische Berechnungen basierend auf den Informationen, die er vom ADC erhält. Wie Andy gerade gesagt hat, hängt es immer noch von Ihrer direkten Bewerbung ab. Sie benötigen jedoch einen hochauflösenden ADC, um einen hochpräzisen Messwert zu erhalten. typisch. Das Rauschen, das Sie je nach Abtastung erhalten könnten, muss vor dem ADC so weit wie möglich eliminiert werden. Der DSP kann es vielleicht bereinigen, aber ich mag es nicht, mich dabei auf sie zu verlassen.
  • Einen ADC zu haben, der eine bessere Auflösung als das externe Signalrauschen hat, ist Geldverschwendung.
  • Einem ADC mit schlechter Auflösung und daher hohem inhärentem SNR kann entgegengewirkt werden, indem die Abtastrate Ihres Prozesses erhöht und eine Software-Wiederherstellung des Signals durch Filterung implementiert wird.
  • Wenn Ihre Signalbandbreite bekannt ist, kann in Algorithmen viel mehr getan werden, um das SNR zu verbessern, indem Rauschen ausgeschlossen wird - dies ist im Grunde das, was eine FFT und ein Software-Radio tun.

Da wir nicht viel über Ihre Anwendung wissen, scheint es sinnlos, Details aufzuzählen, die nicht zutreffen.

Ich verstehe, dass das SNR des externen Signals über die ADC-Präzision entscheidet, wenn keine DSP-Techniken betroffen sind. Meinen Sie für den ersten Punkt, dass eine höhere Auflösung nicht hilft ("bessere Auflösung als das externe Signalrauschen"), selbst wenn DSP-Techniken berücksichtigt werden? Rücksichtnahme?

Um eine 24-Bit-Präzision zu erhalten, benötigen Sie wahrscheinlich einen ΣΔ-ADC (Sigma-Delta-ADC). Das ist eine spezielle Art von 1-Bit-ADC (mit Rauschformung), gefolgt von einer Filterung der digitalen Werte.

Der Vorteil des ΣΔ-ADC ist, dass mit nur einem Bit die Quantisierung nicht nichtlinear sein kann.

Dies beantwortet die Frage nicht und außerdem ist der Modulator in einem Sigma / Delta wie jede Schwellenwertoperation nichtlinear. Entscheidend ist, dass die DNL monoton und gleichmäßig im Schritt ist, d.h. es ist gleichmäßig nichtlinear.
Außerdem gewährt ein 24-Bit-ΣΔ keine 24-Bit-Auflösung. Sie haben N "effektive Bits", die vom Grundrauschen Ihres Systems abhängen. Ich möchte dies nur vorsichtshalber herauswerfen - es ist leicht, sich dies auf die gleiche Weise wie einen ADC mit sukzessiver Annäherung vorzustellen, aber es ist ein wenig anders.
Außerdem können Sie das Quantisierungsrauschen des ADC rauschformen, aber Sie formen andere Rauschquellen - wie das thermische Rauschen Ihres Sensors. Ich habe in der Vergangenheit an Systemen mit 24-Bit-ADCs gearbeitet, und die Grenze des Systems war nicht der ADC, sondern die piezoelektrischen Sensoren.
Wie wähle ich die ADC-Auflösung unter Berücksichtigung des SNR des Eingangssignals und der digitalen Signalverarbeitung aus?
AntwortenHierDatenschutz-Bestimmungen1y, 1v