Dijital Filtrelemenin Rolü Teknikler incelal Enhancing ADC Sinyal Sinyal Sinyali Bütünlük

Dijital Filtreleme Tekniklerinin Rolü ADC Integrity Signal

Modern elektronik sistemler, mikro kontrollerin, FPGA'ların ve işlemcilerin doğrudan ölçümlerin doğruluğunu, istenmeyen sesin açıklanmasını ve kontrol sistemlerinin güvenilirliğini belirlemesine bağlıdır.Görüntüleme, ses, ses ve radyo dalgaları gibi - mikro kontrol cihazlarının, FPGA'ların ve işlemcilerin dönüşüm sürecinde tanıtılabileceği ayrık dijital göstergeler. Dijital filtreleme teknikleri, ölçümler için özgün sinyal içeriği doğrulayıcı bir şekilde kaldırmanın doğrulanması anlamına gelir.

ADC Signal Integrity

ADC sisteminde sinyal bütünlüğü, sayısallaştırılmış çıktının analog girdinin özelliklerini nasıl iyi koruduğunu açıklar. ideal ADC her örnek anda girişin mükemmel sayısal bir kopyasını üretecektir, ancak gerçek dünya bileşenleri birkaç çeşit bozulmayı sunar.

Signal Degradasyon Kaynakları

[FONT=0)Quantization gürültü[Dönetici:0) Gerçek analog değer ve en yakın ölçüm seviyesi arasındaki hata, N-bit dönüştürücü için, en küçük tespit edilebilir gerilim değişikliği (en azından önemli bir miktar veya LSB) gerçek analog değer ve en yakın ölçümlenen seviye arasındaki hata, dinamik aralığın sonlu bir zemin oluşturur.

[FONT:0] ⁇ gürültü [DÜDÜDÜDÜDÜSTRİYESİ] (Johnson-Nyquist gürültü) karşıt ve yarı iletken eklemlerdeki şarj taşıyıcılarının rastgele hareketinden gelir. Bu geniş bant gürültüsü küçük sinyalleri gizleyen düşük seviyeli hislerini ekliyor.

[FONT:0]Electromanyetik müdahale (EMI)[Dönetici)[Döneticileri, motorlar ve radyo vericiler çiftleri analog giriş yolunda.Yapılmış ve yayılmış gürültü genellikle sinyal-toğraf oranını (SNR) daraltmış gibi görünür.

[FONT:0)Clock jitter[[[DÜDÜT:1) örneklemede değişimlere atıfta bulunur. Yüksek frekanslı girişler için, hatta picoiye düzeyinde jitter önemli bir amplitüd hatalarına neden olabilir, çünkü sinyal değişiklikleri her iki giriş frekansı ve jitter büyüklüğü ile hızla artar.

[FONT:0]Aliasing[[Dönetici:0) girdi sinyalinin Nyquist oranının üzerindeki frekans bileşenleri içerdiğinde meydana gelir (örneğin, örnek frekansı). Bu bileşenler, gerçek sinyallerden ayırt edilemeyen tonlara geri döner. Anti-aliasing filtreler (tipik olarak analog) bu riski azaltır, ancak bazı ikamet eden aliasing hala dijital alana geçebilir.

Dijital filtreleme, dönüşümden sonra bu sorunların çoğunu ele alır. Örnek akışı matematiksel algoritmaları ile işlemeye göre, gürültüyü azaltmak, müdahaleyi kaldırmak ve hatta bazı analog ön kusurları telafi etmek mümkündür.

Dijital Filtreleme Teknikleri Türleri

Dijital filtreler iki geniş mimari kategoriye girerler -[Dönetici:0)Finite Impulse Response (FIR)[Dönetici:2) Sonlu Impulse Response (IIR)[Döneticileri ile ilgili olarak, bu kategorilerde, düşük geçit, yüksek geçit, grup geçiş gibi özel filtre şekilleri ve faiz oranına bağlı olarak uygulanır.

Low-Pass Filtreleri

ADC sistemlerindeki en yaygın dijital filtre düşük frekans tipidir. Düşük frekanslı gürültüyü geçerken, 100 Hz'deki sıcaklık sensörü örneklemesi önemli bir şekilde olabilir.Influencesifikasyon cihazı ve rastgele ısı gürültüsünün üzerinde iyi bir şekilde olabilir. 10 Hz'in üzerinde bir kesme filtre yavaş yavaş yavaş farklı sıcaklık okumasını korurken her ikisini de kaldırabilir.

Düşük geçiş filtrelerinin uygulamaları lineer bir aşama yanıt verir, yani tüm frekans bileşenleri aynı gecikmeyi deneyimliyor, zaman alan dalgaformlarının şeklini koruyor. Bu, elektrokardiogram (ECG) izleme gibi uygulamalarda kritiktir, P'nin göreceli zamanlaması ve T dalgalarının tutulması gerekir.

Yüksek Lisans Garantileri

Yüksek frekanslı filtreler düşük frekanslı sürüklenir ve DC dengelemeleri. Hızlandırılmış titreşim analizinde, yavaş yavaş değişen bir eğimli bileşen, yüksek frekanslı titreşimleri ilgilendirir. 1-10 Hz'un kestiği yüksek frekanslı bir filtre, titreşim sinyalini iletmeden sonra eğimi ortadan kaldırır.

IIR yüksek frekanslı filtreler sık sık kullanılır çünkü eşdeğer bir FIR tasarımından daha az kata sahip, gerçek zamanlı sistemlerde hesaplama yüklerini azaltırlar.

Band-Pass Filtreleri

Bir grup geçiş filtresi, yukarıdakileri ve aşağıdaki frekansları reddetmekte, radyo frekansı (RF) iletişiminde, bir alıcının orta frekansı (IF) aşaması genellikle istenen kanalı seçmek için bir bant geçiş filtresi kullanır. After ADC dönüştürmeden sonra, bir dijital band-pass filtre daha keskinleştirebilir.

Band-pass filtreleri de spektrum analizörleri olarak kullanılır, bir değiştirilebilir dijital filtre bir sinyalin gücünü ölçmek için frekans aralığında süpürücüler.

Notch Filtreleri

Notch (veya grupla duraklama) filtreler, geri çekilme için dar bir frekans grubu hedef alır. Klasik örnek, 50 Hz veya 60 Hz'de, çiftlerin AC analarından sığışlı darbe yoluyla analog girişleri içine alan bir girişimdir. Bir dijital notch filtresi, bu müdahaleyi 40 dB veya daha fazla etkilenmeden önce, bu tür frekansları önemli ölçüde etkileyebilir.

Adaptif olmayan filtreler, müdahalenin tam frekansını izleyebilir (bu, ızgara varyasyonları nedeniyle biraz sürüklenebilir) ve katsayıları gerçek zamanlı olarak ayarlar.Bu yaklaşım hassas enstrümantasyon ve biyomedikal sinyal alımında kullanılır.

Özelleştirilmiş Filtre Türleri

Dört temel şekil ötesinde, diğer dijital filtre yapıları belirli amaçlara hizmet eder:

• [FONT=0) Ortalama filtre:[Dönetici:[Dönetici:0) Basit bir düşük geçit FIR, son N örneklerini ortalama olarak hesaplamak ve rastgele beyaz gürültüyü azaltmak için etkilidir, ancak kötü bir stopband ile sinc şeklinde bir frekans yanıtı getirir.
• [FONT:0)Median filtresi:[Dönersiz filtre] Her örnekten komşu örneklerden gelen bir doğrusal filtre.Soru gürültüyü ortadan kaldırmak için (spikes) sağlarken, görüntü sensörleri ve belirli sensör verileri için faydalı hale getirir.
• [FONT:0]Savitzky-Golay filtre: Düşük derece polinomik bir verinin kaydırıcı bir penceresine uyan polinom filtre.
• [Düzücükler:0)Düzücü (düşük) filtre: [Dönetici:0) ADCs, bir dijital düşük geçiş filtresi, karar alırken veri oranını azaltır. Klasik sigma-delta ADC, bu tekniğin yüksek sayıdaki küçük analog karmaşıklığı elde etmek için kullanır.

Dijital Filtrelerin Uygulanması

FIR vs. IIR: Doğru Mimariyi Seçin

FIR ve IIR filtreler arasındaki seçim uygulama gereksinimlerine bağlıdır:

[FONT=0]FIR filtreler[Döneticiler) doğal olarak istikrarlı çünkü geri bildirime sahip değiller; dürtü tepkileri, tıklama sayısına göre son derece eşit olmalıdır (örneğin, 1 kHz'de kesintiye uğramak için bir FIR düşük frekanslı bir filtreye ulaşabilir.

[FONT=0)IIR filtreler[Döneticiler) sadece birkaç kutup ve sıfırlar elde etmek için geri bildirim kullanın.Sessiz bir FIR'dan daha az katsayı elde etmek için potansiyel bir istikrarsızlıktır. Özellikle filtre geçiş bandı yakınında (özellikle de).

Gerçek Zaman vs. Offline Processing

Dijital filtreler, ADC'den ortaya çıkan örnekler olarak gerçek zamanlı olarak uygulanabilir veya bir veri bloğu oluşturulduktan sonra çevrimdışı olarak, DSP'lerde veya son derece optimize edilmiş montaj kodunu tamamlamak için. Yüksek hızlı ADCs (e.g., 100 MSps), bu, donanım hızlandırıcılarının kullanımını sık sık sık zorlayan zamanlama kısıtlamalarına izin verir.

Coaktif Sayılama ve Sayısal Hassasiyet

Yüz metreküpsiyonlarla filtre tasarlarken, sabit nokta arithmetic sistemi (orta maliyetli ADCs ve mikrokontroller) tüm işletim koşulları altında filtreyi sabitleyerek elde etmek için sabit nokta davranışı ölçümlemek gerekir.Inadequate sensitive, filtrenin kutuplarını IIR filtrelere doğru taşıyabilir veya FIR filtrelerde aşırı bant dalgalarını dağıtır.

Donanım Acceleration

Birçok modern mikrokontroller dijital filtreleme için özel donanım entegre eder. Örneğin, tek bir döngüsü içeren bir birim içerir (MAC) çok paralel uygulamaları uygular: FIR ve IIR işlemleri uygular. DSP çipleri genellikle birden fazla MAC ünitesi, dairesel tamponlar ve doğrudan bellek erişimi (DMA) CPU müdahalesi olmadan örneklerini akış için. FPGAs son derece paralel uygulamaları sağlar: tek bir FPGA birkaç ADC kanallarında paralel olarak çalışır.

ADC Systems'de Dijital Filtrelemenin Faydaları

ADC dönüşümünden sonra dijital filtreleme uygulamak, yalnızca analog anti-aliasing ve gürültü azaltma konusunda güvenmek için sayısız avantaj sağlar:

• [FONT:0)Enhanced doğruluk ve hassas: Gürültü bileşenleri etkili bir karar geliştirir.Ses-delta ADCs için, dijital decimasyon filtreleri 12 ila 16 veya daha fazla etkili sayıyı artırabilir.
• [FONT:0] Çevre genelinde daha iyi güvenilirlik:[Dönetici:[Dönetici:0) Filtre parametreleri, sıcaklık sürüklenme, yaşlanma bileşenleri veya değişen donanım olmadan farklı müdahale düzeyleri için telafi etmek için yazılımda ayarlanabilir.
• [[Dönetici:0) Tasarım esnekliği:[Dönetici:[Dönetici:0) Tek bir donanım platformu farklı filtre katlarını yükleme ile farklı sensörler ve ölçüm türlerini yönetebilir. Örneğin, bir veri satın alma kurulu, düşük uçlu bir filtre ile sıcaklık ve vi-pass filtre arasında geçiş yapılabilir.
• [FONT:0]Cost-t-tamamlık:[Dönetici: [Dönetici:0]Kost-aktiflik: [Dönetici: 0,8|Dönetici:0) Analog alandan filtrelemeye kadar (op-amps, kapasitörler, indüktörler) dijital alana, BOM maliyet ve yönetim kurulu alanı azalır.
• [FONT:0)Deterministic performans: [Dönetici:[Dönetici:0) Dijital filtreler sıcaklık sürüklenme veya bileşen yaşlanmasından muzdarip değildir. Bir kez katsalar sabitlenir, frekans yanıtı tam olarak birimleri ve zamanla tekrarlanabilir.
• [FONT:0]Adaptability:[Dönetici:[Dönetici:0) Adaptif dijital filtreler, adaptive environment'a dayanan işitme yardımında, arka plan gürültüyü bastıran işitme yardımında, gibi gürültü koşullarını izleyebilirler.

Gerçek Dünya Uygulamaları

Tıbbi Alet

Elektrokardiyografi (ECG), sinyal amplitüdünün sadece 0,5-4 mV'nin varlığında ölçülmelidir, ancak yüksek frekanslı gürültüyü ve elektrot hareket eserlerini uygular. Tipik bir ECG önbellek yüksek frekanslı filtreyi kaldırmak için klinikçilere izin verir (0.5 Hzoff) daha fazla filtrelemek için: yüksek frekanslı bir filtreyi sınırlandırmak için: ECG filtre ve daha fazla filtrelemek için ekstrefil.

Ses ve Ses İşleme

Audio ADC sistemleri – profesyonel kayıt konsollarından akıllı mikrofonlara – gürültü şekillendirme, dinamik aralık sıkıştırma ve eşitleştirme için dijital filtreleme üzerine yapılır. DSP çekirdeği üzerinde çalışan sigma-delta ADC'nin kendisi yüksek çözünürlükte, 1-bit akışı çok fazla bantlı bir sese dönüştürmek için dijital filtreleme filtre kullanır.

Industrial Otomasyon ve Güç Sistemleri

Motor kontrolünde, mevcut ve gerilim geri bildirim sinyalleri ADC tarafından örneklenir ve kontrol döngüsüne geçiş yapmak için dijital filtreler aracılığıyla geçer.In motor control, the current and voltaj feedback signal are sampled by aDCs and passed through digital filterize the control loop. Benzer şekilde, güç kalitesi izleme, ADCs örnek üç fazlı gerilimi ve yüksek oranda filtreleri ve dijital filtrelerle temel, harmonik ve e-ruh bileşenleri 1159.

Kablosuz İletişim

Yazılım tanımlı radyo (SDR) dijital filtrelemeye çok güveniyor. ADC tek bir FM yayın kanalı (örneğin, 30 MHz geniş), keskin bir kesme ve lineer (DDC) istenen sinyalin aşamasını seçmek ve izole etmek için mikser ve decimasyon filtreleri kullanıyor (örneğin, 200 kHz.

Future Trends and Advanced Techniques

Dijital filtrelemenin evrimi, işleme gücü ve algoritmak sofistikasyonun yanı sıra devam etmektedir.

Adaptif ve Kendi kendine Hazırlanıcı

En az meydanlar (LMS) veya recursive least squares (RLS) algoritmaları gibi, otomatik olarak LMS'nin maliyeti düşük, modern mikro kontroller üzerinde gerçek zamanlı uygulama sistemleri için uygun hale getirebiliyorlar.

Makine Öğrenmesi –Assisted Filtreleme

Neural ağları ve derin öğrenme modelleri geleneksel olarak dijital filtreler tarafından ele alınmak için uygulanır. A convolutional autoencoder temiz ve gürültülü sensör verilerinin doğrusal bir filtrenin dokunamayacağı son derece karmaşık gürültü kalıpları üzerinde eğitildi.Bu yaklaşım önemli bir hesaplama ve eğitim verileri gerektirdiğinde, elektroenseografi (EEG) ve yüksek çözünürlüklü spektroskopi gibi uygulamalarda bir ayak izi bulmaktır.

Field-Programlanabilir kapı Dizileri (FPGAs) Yüksek Hızlı Filtreleme için

ADC örnekleme oranları, birçok MAC biriminde (örneğin radar veya kapaklı), yüksek seviyeli sentez (HLS) araçlarının geliştirilmesi, donanımda FPGA tabanlı filtre tasarımı kullanarak daha erişilebilir hale getirilmesi ve birçok MAC biriminde hesaplamak için, sayısal analizlerin siparişlerine ulaşmak.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Dijital filtreleme, ADC tasarımcısının aracı olan ADC'de vazgeçilmez bir araçtır. Gürültüyü, baskıyı ortadan kaldırmak ve sayısal sinyallerin frekansını şekillendirmek, bu filtreler, ölçüm doğruluğunu, sistem güvenilirliğini ve tasarım esnekliğini çarpıcı bir şekilde geliştirir.FIR ve IIR mimarlıkları arasındaki seçim, sinyal bütünlüğünün seçimi (düşük, yüksek geçit, bant-pass, notch veya adaptive), ve gerçek zamanlı performans kısıtlamalarının tüm faktörü başarılı bir şekilde uygulanmasına olanak sağlar.