ADC動態範圍的計算

2021-08-18 01:53:43 字數 1407 閱讀 2953

增加取樣頻率可以改善系統的snr,其原因是,當取樣頻率增加時,量化雜訊功率仍保持不變(量化雜訊只與字長有關),量化誤差可以建模為樣本與樣本之間不相關,這就將產生平坦的頻率響應,從而具有單邊功率譜密度:psd等於兩倍的量化雜訊功率與取樣頻率之比。因此,儘管總的量化雜訊功率保持不變,量化雜訊的psd隨著取樣頻率的增加而減低,即,取樣頻率每增加一倍,訊雜比大約增加3分貝。量化訊雜比的提高有兩種方法:一是增加量化字長,字長每增加一位,訊雜比大約增加6分貝;二是提高取樣頻率。由於量化雜訊是均勻分布的白雜訊,當取樣頻率提高一倍時,雜訊能量並沒有改變,而雜訊分布範圍卻增加了一倍,因此,相對地,訊雜比就提高了「根號2」分之一。

在楊小牛翻譯的《軟體無線電原理與應用》裡的公式:

snr=6.02n+1.76+10*log(fs/2b)

其中n是量化位數,其中取樣率為fs,b為頻寬,明顯fs即取樣率提高,可以提高snr。書上解釋是b固定,fs提高,效果相當於在更寬的頻率範圍擴充套件量化雜訊,從而使snr提高。

adc量化雜訊在fs/2內為白雜訊,訊號頻率等於fs/2條件下,即乃奎斯特取樣,此時snr=6.02n+1.76。

當訊號頻率小於fs/2時,量化雜訊仍然在fs/2平均分布,但是所關注的"有用"訊號頻寬內的量化雜訊卻小了,所以snr就提高了。取樣頻率越高,量化雜訊分布就越分散了,這時就變成過取樣了。

同時,補充一下:當借助於over-sampling技術並認為snr有所提高時,此時已預設要對adc輸出的訊號進行digital lpf/bpf操作來提取有用的訊號,即後面要加數字濾波器來實現增加的snr。

首先,考慮乙個傳統adc的頻域傳輸特性。輸入乙個正弦訊號,然後以頻率fs取樣--按照 nyquist定理,取樣頻率至少兩倍於輸入訊號。從fft分析結果可以看到,乙個單音和一系列頻率分布於dc到fs /2間的隨機雜訊。這就是所謂的量化雜訊,主要是由於有限的adc解析度而造成的。單音訊號的幅度和所有頻率雜訊的rms幅度之和的比值就是訊號雜訊比(snr)。對於乙個nbit adc,snr可由公式:snr=6.02n+1.76db得到。為了改善snr和更為精確地再現輸入訊號,對於傳統adc來講,必須增加位數。

如果將取樣頻率提高乙個過取樣係數k,即取樣頻率為kfs,再來討論同樣的問題。fft分析顯示雜訊基線降低了,snr值未變,但雜訊能量分散到乙個更寬的頻率範圍。σ-δ轉換器正是利用了這一原理,具體方法是緊接著1bit adc之後進行數字濾波。大部分雜訊被數字濾波器濾掉,這樣,rms雜訊就降低了,從而乙個低解析度adc,σ-δ轉換器也可獲得寬動態範圍。

那麼,簡單的過取樣和濾波是如何改善snr的呢?乙個1bit adc的snr為7.78db(6.02+1.76),每4倍過取樣將使snr增加6db,snr每增加6db等效於解析度增加1bit。這樣,採用1bit adc進行64倍過取樣就能獲得4bit解析度;而要獲得16bit解析度就必須進行415倍過取樣,這是不切實際的。σ-δ轉換器採用雜訊成形技術消除了這種侷限,每4倍過取樣係數可增加高於6db的訊雜比。

如何利用過取樣增加ADC 的動態範圍?

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