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過采樣系列三:量化誤差與過采樣率

數字世界是模拟世界的鏡像,而ADC就是連接配接兩個世界的大門。一切模拟信号一旦經過ADC離散化後,其幅值必然會失真,其重要原因是ADC分辨率有限,隻能逼近真實幅值。

我們不可能抵達真理,隻能無限的接近真理。

過采樣系列三:量化誤差與過采樣率

分辨率是ADC的重要參數之一,它和精度是兩個不同的量,精度描述的是離散結果的準确性,而分辨率描述的是ADC能夠分辨的最小信号,為1LSB。

換言之,分辨率高的ADC能區分出更小的信号,但其轉化的結果準确性受精度限制。

過采樣系列三:量化誤差與過采樣率

一個8bit ADC,可分辨出256種電平,當輸入範圍是2.56V時,1LSB即為10mV。受分辨率限制,ADC輸出值和實際值之間存在誤差。

下圖是量化誤差的示意圖,對于變化小于1LSB的信号,ADC是無法區分出來的,輸入和輸出此時的誤差即為量化誤差。

過采樣系列三:量化誤差與過采樣率

量化噪聲的簡化數學模型如下,

e(t)=st, -q/2s < t < +q/2s

過采樣系列三:量化誤差與過采樣率

根據輸入信号、ADC分辨率和量化誤差的關系,我們可以推導出一條重要的SNR計算公式。詳細推導過程在公衆号背景回複:過采樣

下面就是經典的ADC SNR計算公式。

SNR = 6.02N + 1.76dB

DC至fs/2帶寬範圍

如果使用數字濾波來濾除帶寬BW以外的噪聲成分,則等式中還要包括一個校正系數

過采樣系列三:量化誤差與過采樣率

‍或者寫作

過采樣系列三:量化誤差與過采樣率

BW是信号帶寬,FS是采樣率,OSR=Fs/(2*BW)就是過采樣率。

過采樣系列三:量化誤差與過采樣率

我們所說的過采樣率每提高4倍,可以提高ADC 1bit的有效分辨率就是根據上面的公式來的,過采樣率可以參考以前文章:

過采樣系列一:采樣定理與過采樣率

為什麼“過采樣率每提高4倍,可以提高ADC 1bit的有效分辨率”?

舉個栗子:

當過采樣率OSR為1時,

過采樣系列三:量化誤差與過采樣率

當過采樣率OSR為4時,

過采樣系列三:量化誤差與過采樣率

對比公式1和公式2,隻有紅色框部分不同,即過采樣帶來的SNR收益和增加分辨率N是可以轉化等效的。

額外增加的位數N+:

N+=10log(OSR)/6.02,

當OSR=1,4,16,,,,時,N+=1,2,3,,,,,

這就是通常所說的,過采樣率每增加4倍,可以提高1bit分辨率的原因。

過采樣系列三:量化誤差與過采樣率

那麼是不是隻要提高采樣速率就可以提高分辨率了呢?

其實不對,從公式2可以看出,10log(4)變為10log(1)了,這個過程還需要降低采樣,或者下抽,這麼做除了降低資料量外,就是可以提高分辨率。

如何下抽,是一個學問,如果簡單的求平均,往往隻提高信噪比,達不到提高有效位數的目的,好多人在這裡會采坑。

如何正确使用下抽來增加有效位數?量化誤差與過采樣率最經典的解釋是頻譜密度解釋,篇幅有限,後面文章都會持續更新。