Ігошин Роман Олександрович

Автореферат

Вступ

Актуальність роботи:

Аналого-цифрове перетворення використовується скрізь, де потрібно обробляти, зберігати або передавати сигнал у цифровій формі. Як правило, сигнали оцифровуються з мінімально необхідною частотою дискретизації із розрахунку економії, при цьому шум квантування є білим, тобто його спектральна щільність потужності рівномірно розподілена у всій смузі. Якщо ж оцифрувати сигнал з частотою дискретизації, набагато більшої, ніж по теоремі Котельникова - Шенона, а потім піддати цифровій фільтрації для придушення спектру поза частотною смугою вихідного сигналу, то відношення сигнал/шум, буде краще, ніж при використанні всієї смуги. Таким чином можна досягти ефективної розрядності більшої, ніж розрядність АЦП.

Мета:

Метою роботи є розробка і дослідження алгоритму передиськретізациі сигналу, який дозволить підвищити розрядність АЦП без зміни архітектури.

Передбачувана наукова новизна:

Наукова і практична новизна полягає в розробці алгоритму, який дозволить підвищувати точність вимірів і якість інформації, що зберігається, за рахунок підвищення розрядності АЦП.

Основний вміст роботи:

Передиськретизация і Децимація

Теорія "Передіськретізациі і Децимациі" є досить складною, але використання алгоритму спрощує завдання. Техніка вимагає більшу кількість відліків. Ці додаткові відліки можуть бути отримані шляхом передіськретізациі сигналу. За кожен додатковий біт розрядності, N, сигнал має бути передіськретізірован чотири рази (мал. 3.1). Це необхідно для здобуття найкращого представлення аналогового вхідного сигналу, оскільки більша кількість відліків дасть краще оскільки більша кількість відліків дасть краще представлення вхідного сигналу, при усереднюванні (децимациі).

Малюнок 1. Умова підвищення розрядності

Шум

Для коректної роботи алгоритму, сигнал – компонента не повинен змінюватися в процесі вибірки відліків. Проте іншим критерієм для успішного підвищення дозволу є те, що вхідний сигнал повинен мінятися, коли здійснюються відліки. Це може виглядати як протиріччя, але в даному випадку зміна сигналу здійснюється лише на декілька lsb (lsb – least significant bit – молодший двійковий розряд). Зміни повинні виглядати як шум - компоненти сигналу. При передиськретизациі сигналу, обов'язкова наявність шуму, для задоволення умови варіації сигналу. Погрішність квантування в АЦП складає, принаймні, 0,5 lsb. Таким чином, амплітуда шуму повинна перевищувати 0,5 lsb для перемикання lsb. Шум з амплітудою 1-2 LSB гарантує, що процес вибірки не буде зупинений при здобутті одного й того ж значення.

Критерії для шуму, при використанні децимациі:

• Сигнал-компонента не повинна істотно варіюватися протягом перетворення.

• Обов'язкова наявність шуму в сигналі.

• Амплітуда шуму має бути не менше 1 lsb.

Присутність шуму під час перетворення вважається нормальним явищем. Шум може бути тепловим, шум від процесорного ядра, перемикання I / O-портів, зміни в живленні та інші. Цього шуму, в більшості випадків, буде достатньо для коректної роботи алгоритму. Все ж, в окремих випадках, буде необхідний додатковий шум. Алгоритм зводитися до усереднювання. Мал. 2а показує проблему виміру сигналу із значенням напруги, що знаходиться між двома кроками квантування.

Малюнок 2. Підвищення «віртуальної розрядності» АЦП.

Усереднювання чотирьох вибірок перестане допомагати з тієї миті, як вибіркою будуть однакові малі значення. Це може лише допомогти пом'якшити флуктуацію сигналу. Мал. 2b показує, що шляхом додавання штучних шумів вхідного сигналу, результат перетворення перемикатиметься. Додавання чотирьох вибірок ділить навпіл кроки квантування, що дає краще представлення вхідного значення, як показано На Мал. 2с. «Віртуальна розрядність» АЦП збільшилася з 10 до 11 біт. Іншою причиною для використання цього алгоритму є збільшення відношення сигнал-шум. Підвищення ефективної розрядності дозволяє розсіювати шуми. Подвоєння частоти дискретизації зменшить діапазон шуму на 3дБ, і підвищить точність вимірів на 0,5 біта.Іншою причиною для використання цього алгоритму є збільшення відношення сигнал-шум. Підвищення ефективної розрядності дозволяє розсіювати шуми. Подвоєння частоти дискретизації зменшить діапазон шуму на 3дБ, і підвищить точність вимірів на 0,5 біта.

Усереднювання

Сенс усереднювання полягає в додаванні m вибірок і діленні результату на m. Усереднювання даних вимірів АЦП еквівалентно фільтру низьких частот і має ту перевагу, що сигнальні коливання або шуму затухають, і вирівнюють списи у вхідному сигналі. Метод Ковзаючою Середньою часто використовується для цього. Він має на увазі здійснення m вибірок, приміщення їх в циклічну чергу і усереднювання останнього m. Це можливо здійснити без пересічних вікон. Малюнок 3 показує, сім (Av1-av7), незалежно Ковзаючих Середніх результатів без пересічних вікон.

Малюнок 3. Принцип методу Ковзаюче Середнє.(GIF-анімація 28,9 Kb 542 x 262 пікселів анімір. (8 кадрів))

Висносвок

Коли АЦП робить вибірку, він квантує сигнал у дискретних відліках. При цьому виникають помилки квантування. Нормальне усереднювання буде отримано лише з флуктуації сигналу, тоді як децимация збільшуватиме розрядність АЦП. Додавання додаткових зразків і правого зрушення на N, дозволяє збільшити розрядність АЦП і зменшити погрішність квантування. За наявності швидкого АЦП, з низькою вартістю пам'яті, переваги передіськретізациі є економічно ефективними і бажаними!

Література

- Многоуровневый метод передискретизации дискретных сигналов И. Г. Филиппенко [Электронный ресурс]

- Understanding Digital Signal Processing (2nd Edition) by Richard G. Lyons [Электронный ресурс]

- Л. Рабинер, Б. Гоулд Теория и применение цифровой обработки сигналов. М.: Мир, 1978. — 848 с. [Электронный ресурс]

- AVR 121: Enchancing ADC resolution by oversampling [Электронный ресурс]