Зачем делать выборку с определенной частотой, чтобы сразу ее уменьшить?

Я прошу прощения, если этот вопрос не является правильным. Я читаю статью, в которой утверждается следующее:

Векторы магнитометра дискретизируются с частотой 100 Гц. Детектор фильтрует и понижает частоту векторов до 10 Гц, чтобы удалить шум сигнала и уменьшить объем вычислений, необходимых для обработки в реальном времени на умных часах.

Мои вопросы: если они хотели, чтобы частота дискретизации была 10 Гц, почему они изначально не просто сэмплировали при 10 Гц?

если они хотели, чтобы частота дискретизации была 10 Гц, почему они изначально не просто сэмплировали при 10 Гц?

Чтобы избежать наложения , сигнал должен быть отфильтрован по нижним частотам перед выборкой. Никакие частоты выше Fs / 2 не должны присутствовать в аналоговом сигнале (или, на самом деле, они должны быть достаточно ослаблены, чтобы быть погруженными в шум, или до уровня, достаточно низкого, чтобы соответствовать требуемым характеристикам).

Если вы производите выборку при Fs = 10 Гц и хотите получать, скажем, сигналы 4 Гц, ваш фильтр должен будет пропускать их, но при этом обеспечивать сильное затухание выше 5 Гц, поэтому ему потребуется плоская передаточная функция в полосе пропускания, а затем крутой спад после частоты среза.

Эти фильтры высокого порядка сложно и дорого реализовать в аналоговой области, но очень просто сделать в цифровой области. Цифровые фильтры также очень точны, частота среза не зависит, например, от допусков конденсаторов.

Таким образом, гораздо дешевле использовать низкочастотный аналоговый сигнал низкого порядка, с избыточной выборкой с большим коэффициентом, а затем с помощью цифрового фильтра с острой частотой дискретизации до конечной частоты выборки, которую вы на самом деле хотите.

Одно и то же цифровое оборудование можно использовать и для нескольких каналов. При такой низкой частоте дискретизации требования к вычислительной мощности очень низки, и современный микроконтроллер легко реализует множество каналов цифровой фильтрации по очень дешевой цене.

Вы упомянули слово магнитометры. Это немного расширяет сферу применения.

Магнитометры для тех, кто не знаком, измеряют магнитный поток и создают пропорциональное выходное напряжение / сигнал в соответствии с потоком.

Скорее всего, вы также обнаружите большое количество нежелательной «электрической энергии» из-за излучаемой магнитной энергии от любых электрических кабелей вокруг.

На самом деле, прямая выборка на частоте 10 Гц в присутствии 50 Гц может привести вас в бешенство, так как вы можете быть не совсем 10 Гц, и вы увидите, как выглядит медленный сдвиг постоянного тока вверх и вниз в течение нескольких секунд.

100 Гц становятся важными, помогая обнулить этот нежелательный сигнал от того, что вы действительно хотите увидеть. Это типично для мест, где встречаются 50 Гц, в США, конечно, 60 Гц.

Если вы используете магнитометры в некоторых странах, 100 Гц / 10 Гц работает не так хорошо; Вы можете найти другую модель для этих рынков.

Ответы по сглаживанию / фильтрации и т. Д. Все еще верны; это просто более конкретно для вашего случая использования.

Они не сразу понижают. Они "фильтруют и отбирают образец". Предположительно, фильтр является нижним проходом, который устраняет псевдонимы, которые могут возникнуть в сигнале пониженной дискретизации. Фильтрация также может уменьшить шум, используя информацию из нескольких выборок 100 Sps, чтобы внести вклад в определение каждого из значений выборок в прореженном (10 Sps) сигнале.

Во многих случаях различные быстрые (по сравнению с сигналом) источники шума могут влиять на показания. Другим примером является фотодиод, выполняющий медленные измерения. Он может легко уловить мерцание 50/60/100/120 Гц от различных распространенных источников света в зависимости от того, где вы находитесь, и, вероятно, даже уловит высокочастотное мерцание светодиода / флуоресцентного света.

В некоторых случаях вы можете использовать фильтр нижних частот на входе, но часто проще оптимизировать фильтрацию в программном обеспечении (например, просто передискретизировать и усреднить некоторое количество n выборок, где n настраивается пользователем).

Уменьшение частоты дискретизации не (обязательно) (линейно) не увеличивает время установления, поэтому вы по сути снимаете входной сигнал. В действительности, например, в MCP3002 время установления основано на тактовой частоте SPI, которая может быть установлена ​​по другим причинам, а не на частоте дискретизации вообще (что имеет смысл: устройство не знает о частоте дискретизации, только тот факт, что его просят сделать выборку, но в данных таблицы используются тактовые частоты, установленные из частоты дискретизации). Если производительность устройства определяется тактовой частотой, а минимальная тактовая частота выше, чем вы хотели бы для производительности, вы можете также считать быстрее, и усреднение дешево.

Чрезмерная выборка облегчает фильтрацию псевдонимов и переходную характеристику с помощью АЦП SAR, а усреднение по децимации уменьшает шум по корням n выборок в программном обеспечении. Если бы была интегрированная IDC AD, это можно сделать за один шаг.