Tại sao ADC của máy thu ALMA chỉ có 3 bit?

ở trên: Bảng 1 từ các điểm nổi bật về hiệu suất của ALMA Correlators

Các máy thu ALMA sử dụng ADC 3 bit cho những gì dường như là một ứng dụng phạm vi động cao cần lượng tử hóa tốt hơn nhiều để có được bất cứ điều gì hữu ích.

Sau đó, tôi tìm thấy những câu này trong bản tóm tắt về số bit ADC và công suất đầu vào cần thiết, trong các ứng dụng thiên văn vô tuyến mới :

Tóm tắt- Đối với hầu hết các phần, cho đến nay các quan sát thiên văn vô tuyến đã được thực hiện trong các dải tần được bảo vệ, được ITU dành cho các mục đích khoa học. Điều này có nghĩa là, lý tưởng nhất là chỉ có nhiễu hệ thống tương đương được khuếch đại ở cuối chuỗi máy thu (tức là đầu vào ADC). Vì vậy, thông thường, chỉ cần một vài bit để mô tả tín hiệu (tín hiệu VLBI được số hóa chỉ có 2 bit), nhưng ngày nay các nhà thiên văn học, để có được độ nhạy cao hơn và mạnh dạn quan sát nơi không ai quan sát trước đây, muốn nghiên cứu bầu trời radio thậm chí bên ngoài các ban nhạc được bảo vệ ...

Và tôi thậm chí đã tìm thấy một ADC 1 bit trong các phép đo hiệu suất của ADC 8 bit 1 bit được phát triển cho các quan sát thiên văn vô tuyến băng rộng .

Tôi nghĩ rằng tôi đang thiếu một cái gì đó rõ ràng, nhưng tôi không thể hiểu làm thế nào một phép đo đòi hỏi phạm vi động cao bằng cách sử dụng ADC vài bit.

chỉnh sửa: Có thể việc chuyển đổi tương tự thực tế sang kỹ thuật số được thực hiện với độ chính xác cao hơn nhiều so với số bit được đề xuất không?

Thật lãng phí khi lấy mẫu với nhiều bit vì tỷ lệ tín hiệu / nhiễu tại ADC của kính viễn vọng vô tuyến thường là << 1, vì vậy sử dụng nhiều bit sẽ chỉ giải quyết được nhiễu. (Một ngoại lệ cho điều này là khi có nhiễu tần số vô tuyến mạnh cần được giải quyết, nhưng đây không phải là vấn đề lớn đối với ALMA do vị trí và tần số quan sát của nó).

Các phép đo phạm vi động cao phát sinh sau khi lấy trung bình nhiều mẫu (hoặc tương quan của các mẫu) với nhau, giúp tăng SNR lên mức có ý nghĩa.

Sử dụng rất ít bit tại ADC sẽ giới thiệu nhiễu lượng tử hóa làm giảm hiệu quả của thiết bị, nhưng 3 bit là đủ để đạt được hiệu suất 96% [1].

[1] Công thức thuận tiện cho hiệu quả lượng tử hóa

Độ phân giải của ADC liên quan nghịch với thời gian chuyển đổi của chúng. Để có được nhiều bit hơn đòi hỏi tín hiệu truyền qua nhiều mạch hơn, điều này cần có thời gian. Đây là lý do tại sao bạn có thể có các ADC âm thanh chất lượng cao với độ phân giải 18 hoặc 20 bit, hoạt động ở tần số trong phạm vi kHz, nghĩa là mỗi chuyển đổi có thể mất vài mili giây. Với tốc độ 4GS / giây, bạn chỉ có 250 picos giây, do đó bạn chỉ có thể nhận được 3 bit (và chỉ 1 bit ở tốc độ 8GS / giây).

làm thế nào một phép đo đòi hỏi dải động cao có được bằng cách sử dụng ADC vài bit?

Điều này phụ thuộc vào bản chất của phép đo, nhưng giải pháp điển hình là thực hiện các phép đo liên tiếp và tính trung bình.

Theo trực giác bạn nghĩ về lượng tử hóa như một cái gì đó loại bỏ thông tin. Điều đó có thể đúng cuối cùng, nhưng nó không phải là một cách hữu ích để xem xét nó. Nghĩ theo cách khác, lượng tử hóa thêm một tín hiệu lỗi. Nếu bạn biết tín hiệu lỗi này trông như thế nào, nó sẽ cho bạn cơ hội phân tích cách xử lý kỹ thuật số biến đổi lỗi và nếu nó kết thúc việc can thiệp vào tín hiệu mong muốn của bạn (và mức độ nhiễu đó sẽ là bao nhiêu).

ALMA là một mảng theo pha, nó có độ chính xác từ sự tương quan của các pha nếu nhiều máy thu (tương tự, pha thường quan trọng hơn biên độ trong các sơ đồ điều chế gần đây). Hàm lỗi cho pha thường là một răng cưa, vì phasor (của tín hiệu sạch theo lý thuyết) quay. Làm thế nào chức năng trông chính xác và tần số cơ bản là gì, phụ thuộc vào các thuộc tính của ADC (và đôi khi trên các cài đặt AGC). Tần số tín hiệu lỗi sẽ gấp n lần tần số nhận được, n = 12 hoặc n = 8 là các giá trị tiêu biểu. Tôi sẽ phải xem xét chi tiết về ALMA, tôi không quen thuộc với điều này.

Bây giờ hãy xem xét cách chức năng lỗi này được lấy mẫu. Không có cách nào để làm giảm nó trước khi lấy mẫu, vì vậy những hình ảnh hài hòa của răng cưa này kết thúc trong dữ liệu số của bạn. Bạn có thể tính toán những sóng hài này ở đâu và mức độ mạnh của chúng. Và bạn có thể thay đổi chúng bằng cách thay đổi tốc độ lấy mẫu (với tần số tín hiệu cố định nhất định). Nếu bạn muốn quan sát một băng thông nhất định và bạn tối ưu hóa tốc độ lấy mẫu, bạn có thể thấy rằng bạn có sóng hài thứ 11 (với biên độ 1/11) ở đâu đó trong tín hiệu của bạn, nhưng bạn có thể tránh tất cả các sóng hài thấp hơn (và mạnh hơn).

Đầu tư vào nhiều bit hơn để lượng tử hóa làm giảm biên độ lỗi, tăng tần số cơ bản của hàm lỗi cùng một lúc. Bạn có thể thấy rằng sự đóng góp của các lỗi lượng tử hóa đã ở mức độ lớn của các nguồn nhiễu khác, do đó không có nhiều để đạt được hiệu năng hệ thống tổng thể. Đây thường là trường hợp cho các ứng dụng trải phổ mã trực tiếp như các hệ thống GNSS.