智能傳感器中由于欠采樣引起的噪聲

　　很多系統開(kāi)發(fā)人員喜歡使用完全集成式“智能傳感器”，因為這些器件通?？煞奖愕亟o出數字輸出，對于偶爾使用的用戶(hù)來(lái)說(shuō)可以規避乏味的模擬電路設計挑戰所帶來(lái)的風(fēng)險。雖然避開(kāi)模擬電路設計問(wèn)題的動(dòng)機可以理解，但系統集成人員了解智能傳感器的重要模擬特點(diǎn)也是非常關(guān)鍵的—比如帶寬和噪聲，因為這些因素會(huì )影響重大的系統級決策，如數據采樣和處理速率。

　　以自主駕駛車(chē)輛（AV）平臺為例，該平臺采用ADIS16460的陀螺儀作為其導航控制系統（GNC）中的反饋檢測元件。如果開(kāi)發(fā)人員未能考慮這些陀螺儀的330Hz帶寬，那么就可能完全根據AV平臺的運動(dòng)配置來(lái)設置角速率反饋環(huán)路中的采樣速率。

　　例如，假設GNC工程師相信可以將AV平臺的運動(dòng)配置限制在4Hz頻譜成分以?xún)?，那么?0 SPS速率進(jìn)行數據采集就會(huì )看起來(lái)是一種對于GNC角速率反饋環(huán)路的采樣速率而言較為保守的做法。不幸的是，如果不進(jìn)行任何前置濾波，那么這種“保守”的做法實(shí)際上會(huì )欠采樣330Hz帶寬，而這樣就會(huì )有很多劣勢。圖1顯示了其中一個(gè)劣勢，即對輸出奈奎斯特頻段（20Hz）內的噪聲能量進(jìn)行重整分配。

　　圖1中，綠色曲線(xiàn)表示自然速率噪聲密度（RND），而紅色曲線(xiàn)表示同樣的總噪聲能量分布在較窄的20 Hz帶寬內的結果。

　　圖1. ADIS16460角速率噪聲密度

　　假設總噪聲平均分布在低采樣速率（ 40 SPS ）奈奎斯特頻段內，通過(guò)下述關(guān)系式可以預測，得到的速率噪聲密度將大約為0.017°/sec/√Hz：

　　這意味著(zhù)使用2048 SPS全采樣速率時(shí)，對40 SPS數據的任何數字濾波都將導致產(chǎn)生比同類(lèi)濾波器多大約4倍的噪聲。根本問(wèn)題在于，對于系統集成人員而言，明智的做法是考慮智能傳感器中的關(guān)鍵模擬屬性，通過(guò)適當選擇采樣速率以及正確設計數字濾波器，便能有機會(huì )進(jìn)行性能優(yōu)化。