Терминология: Фильтр антиалайзинговый

Фильтр антиалайзинговый

Антиалайзинговый фильтр (anti-aliasing filter) – это фильтр низкой частоты (ФНЧ), применяемый на входе АЦП для повышения качества оцифровки сигнала. Если Fd – частота дискретизации АЦП, то частота среза антиалайзингового ФНЧ примерно равна половине 0,5* Fd. Подавление частот сигнала выше половины частоты дискретизации АЦП исключает эффект наложения на сигнал зеркальных частот преобразования, или, как это обычно называют в классической литературе по ЦОС, исключает эффект наложения спектров. Антиалайзинговый фильтр фактически обеспечивает спектральную верность преобразования АЦП, исключая из сигнала сторонние призвуки – артефакты преобразования (если воспользоваться терминологией звуковых приложений).

Типичная АЧХ (в полосе частот от 0 до Fd) высококачественного звукового АЦП приведена на рисунке1. Здесь за нуль децибел взят сигнал с максимально возможной амплитудой для данного входа АЦП. Такая АЧХ обеспечена многоступенчатой системой цифровых фильтров в архитектуре сигма-дельта АЦП, работающих на высокой частоте модулятора (многократно выше, чем  Fd). В сочетании с цифровыми фильтрами (если они имеются) для обеспечения подавления высоких частот во входном тракте АЦП применяют аналоговые фильтры, имеющие значительно меньший наклон АЧХ.   

АЦП с антиалайзинговым фильтром используют в звуковых приложениях, акустике, виброметрии – в тех областях, где важна спектральная верность преобразования и максимальная точность АС-измерений. В случае вышеприведённой АЧХ преобразователя максимальное качество преобразования обеспечивается, если эффективная полоса частот сигнала с небольшим запасом соответствует полосе частот от 0 до 0,5*Fd. В этом случае будет достигнут оптимум по соотношениям "сигнал-шум" и "сигнал-помеха", в том числе потому, что будут подавлены зеркальные частоты преобразования (если обеспечивается подавление частот выше Fd).

В виброметрии, где измеряют фазовые задержки, на весь тракт преобразования АЦП, включая антиалайзинговый фильтр, накладывают дополнительное требование линейности фазочастотной характеристики. 

В системе терминов линейные - нелинейные эффекты измерительного тракта можно утверждать, что антиалайзинговый фильтр кардинально уменьшает влияние нелинейных эффектов операции дискретизации АЦП, делая операцию дискретизации практически линейным преобразованием (если не учитывать возможные факторы нелинейности другой природы, например, возможную нелинейность по уровням квантования АЦП). 

Однако нельзя утверждать, что наличие антиалайзингового фильтра в тракте преобразования АЦП приемлемо для всех физических задач оцифровки сигнала. Например, особый стробоскопический режим работы возможен только для АЦП без антиалайзингового фильтра (например, с АЦП последовательного приближения), для которого верхняя частота полосы частот пропускания значительно выше половины частоты дискретизации. Ещё пример: при оцифровке импульсных сигналов с быстрыми перепадами при ширине спектра сигналов, превышающей ширину полосы частот АЦП с антиалайзинговым фильтром, возможен затяжной колебательный характер реакции фильтра на быстрые перепады сигнала, и не для всех решаемых задач такие реакции будут приемлемы.   

Для правильного толкования термина следует учесть:   

  • В технической литературе встречается также схожий по физическому смыслу термин антиалиасинг, употребляемый в области обработки изображений, но в измерительной тематике (при обработке сигналов) правильней пользоваться термином антиалайзинговый фильтр, применяемым в ГОСТ Р 8.714-2010 и ГОСТ Р ИСО 13373-2-2009.
  • В технической литературе на интегральные сигма-дельта АЦП нередко под антиалайзинговым фильтром подразумевают внешний высокочастотный аналоговый ФНЧ, в то время как резко выраженную антиалайзинговую АЧХ в низкочастотных зонах эти интегральные АЦП нередко обеспечивают сами.
  • В руководствах на модули АЦП2, если говорится о наличии антиалайзингового фильтра, то подразумевается наличие у модуля соответствующей антиалайзинговой АЧХ, которую обеспечивает АЧХ всего тракта измерения модуля с учётом АЧХ его аналогового тракта, интегральных АЦП, цифровых фильтров в модуле АЦП (например, в FPGA) и фильтров на "верхнем" программном уровне, если они включены в поставляемое ПО.   

Упомянем также возможные реализации внешних антиалайзинговых фильтров по отношению к готовым модулям АЦП, если физическая задача пользователя требует применения таких фильтров. Например, это могут быть как интегральные ФНЧ на переключаемых конденсаторах, так и простые аналоговые ФНЧ 1-го порядка на основе RC-цепей. Несмотря на небольшой наклон АЧХ, пассивные RC-цепи (по сравнению с другими типами фильтров на основе процесса дискретизации) имеют максимально широкий динамический диапазон как в полосе частот пропускания, так и в полосе задержания, при этом ширина полосы задержания технически не ограничена частотой дискретизации, а ограничена только качеством реализации аналоговых цепей. Однако применения каких-либо фильтров на входе модулей АЦП (в системе "источник сигнала – кабель – модуль AЦП") требует инженерной оценки3 влияния фильтра на метрологические параметры измерительной системы при известных количественных воздействующих факторах и известных техтребованиях к каналу измерения конечной физической величины пользователя. Но, если рассматривать антиалайзинговый фильтр в качестве одной из мер оптимизации соотношения сигнал-помеха при работе с модулем АЦП в реальных условиях, то применение внешнего (по отношению к модулю) антиалайзингового фильтра в большинстве типичных задач может оказаться нецелесообразным в случае принятия других мер, уменьшающих проникновение помех в цепь измерения АЦП

 


1 В качестве примера АЧХ высококачественного антиалайзингового фильтра приведена АЧХ сигма-дельта АЦП ADS1274 компании Texas Instruments.
2  Например, в руководствах на модули АЦП LTR22, LTR24, LTR25 производства L-Card.
3 Такую оценку может провести техподдержка L-Card на этапе выбора оборудования.
 

По вопросам качества аналогово-цифрового преобразования также читайте статьи:

 

Перейти к другим терминам       Cтатья создана:09.07.2014
О разделе "Терминология"      Последняя редакция:12.11.2018

Контакты

Телефон: +7 (495) 785-95-25
Факс: +7 (495) 785-95-14

Отдел продаж: sale@lcard.ru
Техническая поддержка: support@lcard.ru

117105, Москва, Варшавское шоссе, д. 5, корп. 4, стр. 2

Схема проезда

Отправить запрос

Контакты

О нас

Более 3000 клиентов в России и за рубежом используют электронное оборудование L-CARD для решения широкого спектра научно-исследовательских и производственных задач. Мы рады помочь Вам на любом этапе создания электронного изделия: от разработки и производства до послегарантийной поддержки.

L-CARD в проектах