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采样、量化与混叠

采样决定时间间隔,而量化定义数值步长。采样频率和ADC的位数会影响不同类型的信号损失。

相关实验:ADC 采样与量化 →
ADC 采样与量化
ADC 采样与量化实验场景 →

意义与机制

当以规则间隔读取连续信号,它们就会形成采样率序列。将每个样本用有限组中的一个代码表示,就是量化过程。

如果采样速度过慢,不同的原始频率可能会被视为相同的样本。 这种现象被称为混叠,而增加比特数并不能消除时域的模糊性。

关系与条件

为了恢复理想的去噪信号,唯一的途径是采用两倍于最高频率的采样,以及适当的条件。实验的间隔,包括实验的终点,是总范围除以 (2ⁿ−1)。

ADC 代码宽度实际定义可能存在差异。fs=2f。 边界对相位非常敏感,在实际系统中,还需要考虑去混叠滤波器和预留频率。

观察实验中需要注意的事物

混叠现象在信号频率的两倍以下发生,而更多的位也减少了量化步数。

噪声、抖动以及真实的 ADC 非线性已被忽略。当 fs=2f 时,该边界是相位敏感的,并且不被认为是安全的。在屏幕上进行实验;不要使用真实的电源、插座或高电压进行重复。

关键关系与符号

Δ = 4/(2ⁿ−1) · falias = |f−round(f/fs)fs|

符号及公式中使用的单位
符号含义单位
fs采样频率Hz
n量化位数bit
Δ模拟中,相邻代码值的间距V

工作实例

4 位量化,从 −2 V 到 +2 V(包括两个端点),步长是多少?

约 0.267 V

常见误解

  • 单纯增加量化位数并不能解决低采样频率的混叠现象。

通过实验探索这个概念

参考文献

OpenStax · 物理学:大学教材,第二卷 (英文版)