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DSP的過(guò)采樣技術(shù)原理

作者: 時(shí)間:2011-07-05 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò ) 收藏

在使用進(jìn)行數字信號處理時(shí),應用過(guò)可以增加其內置模數轉換器的分辨率。討論了應用過(guò)、如何使用TMS320LF2407來(lái)實(shí)現過(guò),以及在軟件上的實(shí)現方法。
關(guān)鍵詞:過(guò)采樣,抗混疊濾波器,抽取,數字信號處理器

本文引用地址:http://dyxdggzs.com/article/150516.htm


1 引 言
  模數(AD)轉換通常是數字信號處理應用中的第一步,依據應用的不同,對模數轉換器(ADC)也有不同的要求,衡量模數轉換器的最重要的標準是它的轉換速率、分辨率和精度。應用過(guò)采樣,再加上適當的數字濾波和抽取,就可以得到比原有的ADC更高的分辨率。
  在數字信號處理器()中應用過(guò)采樣技術(shù)需要快速ADC以非??斓乃俣葋?lái)采樣模擬信號,并且需要快速來(lái)執行數字低通濾波和抽取。TI公司出品的DSP芯片TMS320LF2407采用3.3V供電,30MIPS的執行速度使得指令周期縮短至33ns,內置有10位的AD轉換器,最小轉換時(shí)間為500ns(詳見(jiàn)TI公司的資料:TMS320LF/LC240x DSPController,Systemand Peripherals,2000),這些為在DSP中應用過(guò)采樣技術(shù)創(chuàng )造了條件。
2 過(guò)采樣降低對模擬抗混疊濾波器的限制
  在采樣過(guò)程中首要的問(wèn)題是采樣頻率的選擇,Nyquist采樣定理指出:若連續信號x(t)是有限帶寬的,其頻譜的最高頻率為fc,對x(t)采樣時(shí),若保證采樣頻率fs≥2fc,那么,就可由采樣信號恢復出x(t)。在實(shí)際對x(t)作采樣時(shí),首先要了解x(t)的最高截止頻率fc,以確定應選取的采樣頻率fs。若x(t)不是有限帶寬的,在采樣前應使用抗混疊(anti-aliasing)濾波器對x(t)作模擬濾波,以去掉f>fc的高頻成分。
  因此,在A(yíng)D轉換前就需要模擬低通濾波器具有尖銳的滾降特性,來(lái)限制模擬信號的頻譜。一個(gè)理想的濾波器應能讓所有低于fs/2的頻率通過(guò),而完全阻隔掉所有大于fs/2的頻率。通常,濾波器和采樣頻率的選擇是將我們感興趣的頻帶限制在DC和fs/2之間。
  用更高的采樣頻率可以降低對低通濾波器的限制,圖1所示為以2倍的原采樣頻率對模擬信號進(jìn)行采樣,在這種情況下,濾波器的截頻為fs/2,阻帶的起始頻率為fs,這樣就可以讓所有我們感興趣的頻率通過(guò),而抑制掉所有高于fs的頻率。但這樣做違反了Nyquist采樣定理,所以還需要用ADC后的數字濾波器來(lái)將信號的頻率限制到fs/2以下。采用了過(guò)采樣后的這種抗混迭濾波器可以得到簡(jiǎn)化,允許的通帶到阻帶的過(guò)渡區很寬。


3 過(guò)采樣提高信噪比
  經(jīng)模擬濾波后,模擬信號被采樣并轉換成數字值,因為數字域僅包含有限的字長(cháng),若要用它來(lái)表示連續信號,就要引入量化誤差,最大量化誤差為±0.5LSB。因為一個(gè)N位的ADC的輸入范圍被分成2N個(gè)離散的數值,每一個(gè)數值由一個(gè)N位的二進(jìn)制數表示,所以,ADC的輸入范圍和字長(cháng)N是最大量化誤差的一個(gè)直接表示,也是分辨率的一個(gè)直接表示。代表數字值的字長(cháng)決定了信噪比,因此通過(guò)增加信噪比可以增加轉換的分辨率。加入三角波信號可提高信噪比(詳見(jiàn)TI公司的資料:Oversampling Techniques Using theTMS320C24x Family,June 1998)。
  如果輸入信號在兩個(gè)量化步長(cháng)q1與q0之間,則它將被量化成q1或q0。當增加一個(gè)適當的三角波信號,并高速采樣,將會(huì )量化出一系列的q1與q0,這兩個(gè)值出現的比例就代表了此輸入信號在兩個(gè)量化步長(cháng)之間的相對位置。要應用這種方法得到比較好的效果,三角波信號的幅度必須為(n+0.5)LSB,其中,n=0,1,2,...。
  因為有了高采樣速率,輸入信號的變化相對來(lái)說(shuō)比較緩慢,圖2中,輸入信號為0.6 LSB,一個(gè)典型的AD轉換器將采樣這個(gè)信號并把它轉換成1 LSB。當用一個(gè)三角波信號與此輸入信號進(jìn)行疊加,并高速采樣時(shí),轉換器產(chǎn)生一系列的0或1采樣值。0和1出現的比例就表示了這個(gè)在0和1 LSB之間的實(shí)際值。


  圖2中的采樣因子K為16,采樣值為0.563,得到了比原轉換結果更小的量化誤差。使用三角波調制過(guò)采樣技術(shù)所增加的信噪比可以表示為:

用該法產(chǎn)生的信噪比和分辨率的增加見(jiàn)表1。


  使用增加三角波信號的過(guò)采樣每加一倍過(guò)采樣速率,就可以增加6 dB的分辨率。然而這種方法需要輸入信號與三角波信號不相關(guān),如果不能做到這一點(diǎn),那信號在一個(gè)過(guò)采樣周期內變化不能超過(guò)±0.5 LSB。
4 用TMS320LF2407來(lái)實(shí)現過(guò)采樣
  圖3為利用TMS320LF2407來(lái)實(shí)現過(guò)采樣,虛線(xiàn)框部分都可以用LF2407來(lái)實(shí)現。PWM信號輸出可以用來(lái)產(chǎn)生三角波信號,數字濾波和抽取用軟件來(lái)實(shí)現。


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