在实时降噪系统中过采样的好处

信息处理 采样 控制系统 奈奎斯特
2022-02-13 21:20:36

对信号进行采样时,标准做法是使用大于信号带宽两倍的采样率以避免混叠。然后对结果进行低通滤波(有时在此之前进行上采样)以消除谐波。

不幸的是,在控制系统应用中防止混叠还不够。系统还需要对输入做出足够快的响应(由规范决定),低采样率会限制这种性能。具体来说,如果系统在时间 t 对信号进行采样,那么紧随其后发生的任何事件都将被忽略,直到一个采样周期之后。因此,具有远大于两倍信号带宽的采样率具有明显的性能优势。我希望量化这种性能改进。

考虑一个开环控制系统,它试图通过输出相同信号的反相版本来抵消输入信号。换言之,通过相消干涉进行主动补偿。如果系统具有无限幅度分辨率(ADC 和 DAC 都具有无限位)和无限采样时间,则反相输出信号将是原始信号的完美反相,信号将完全抵消。但是如果系统有一个有限的采样率,那么输出信号就不会是原始信号的完美逆,两者也不会完全抵消。采样率越低,消除越差(即使没有出现混叠)。

问:假设如下:

  • 输入信号是频率的正弦波f0和幅度A

  • 该系统有一个采样率为fs在哪里fs>2f0

  • 系统使用采样保持 (ZOH) 插值来输出反相正弦波并将其添加到原始信号中

  • 系统在 ADC 采样和相应的 DAC 输出之间具有零时间延迟(ADC 建立时间、DSP 计算等是瞬时的)

如何计算得到的频率分量的频率和幅度?

1个回答

系统零时延(采样、计算等都是瞬时的)

这是一个无效的假设。几乎每个数字系统都至少有一个采样延迟。DAC 和 ADC 或使用相同的主时钟。因此,在采样时间 n,ADC 正在采集样本 n,而同时 DAC 正在输出样本 n-1。解决这个问题的唯一方法是使用更高的主时钟,对该时钟进行下采样并在不同相位上为 A/D 和 D/A 计时。然而,这相当于首先以更高的采样率运行。

因此,您的消除能力取决于 1 个样本期间正弦波的幅度变化量。残差信号简单地由下式给出

e(t)=sin(f0t)sin(f0(tTs))=2cos(f0(tTs/2))sin(f0Ts/2)
在哪里Ts=1/fs是采样时间。误差只是信号频率和采样率之比的函数。为了f0<<fs误差非常小。

解决这个问题的唯一方法是提高采样率或使用信号的一些先验知识来进行一些预测和推测消除。