Por que os ADCs dos receptores ALMA são apenas de 3 bits?

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acima: Tabela 1 dos destaques do desempenho dos correladores ALMA

Os receptores ALMA usam ADCs de 3 bits para o que parece ser uma aplicação de alto alcance dinâmico, necessitando de quantização muito mais precisa para obter algo útil.

Então eu encontrei essas frases no resumo do número de bits ADC e da potência de entrada necessária, em novas aplicações radioastronômicas :

Resumo - Na maioria das vezes, as observações de radioastronomia até agora foram realizadas em faixas de frequência protegidas, reservadas pela UIT para fins científicos. Isso significa que, idealmente, apenas o ruído equivalente amplificado do sistema está presente no final da cadeia do receptor (ou seja, a entrada ADC). Portanto, normalmente, apenas alguns bits são necessários para descrever o sinal (os sinais VLBI são digitalizados com apenas 2 bits), mas hoje os astrônomos, a fim de obter mais sensibilidade e observar com ousadia onde ninguém havia observado antes, gostaria de estudar o céu do rádio mesmo fora das faixas protegidas ...

E até encontrei um ADC de 1 bit em Medições de Desempenho de ADCs de 8 bits e 1 bit, desenvolvido para observações astronômicas de rádio de banda larga .

Acho que estou perdendo algo óbvio, mas não consigo entender como uma medição que requer alta faixa dinâmica é obtida usando ADCs de poucos bits.

editar: É possível que a conversão real de analógico para digital seja feita com uma precisão muito maior do que a sugerida pelo número de bits?

uhoh
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Como um entusiasta casual não-astrônomo, não tenho idéia do que isso está perguntando. Mas +1 para a pergunta mais nerd e impressionantemente complexa que eu já vi aqui.
IMerchant 25/08/16
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Não estou qualificado, mas suspeito que esteja ocorrendo alguma conversão Delta Sigma (ou similar). Um ADC de 1 bit (realmente apenas um comparador) pode ser usado em frequências muito altas em um sinal integrado, para fornecer um fluxo de bits de alta velocidade. (Em vez de um conjunto muito mais lento de amostras com vários bits.) Em seguida, a proporção de 1s no fluxo de bits indiretamente fornece o nível analógico. (Acho que o seu conversor de 3-bit mencionado é alguma versão mais exótica do método 1-bit comum.)
Andy
Então é isso que é um ADC - obrigado! Isso está começando a fazer um pouco de sentido. Eu acho que a banda base é de 0-2GHz (ou 2-4GHz - pode ser alterada em algum lugar de qualquer maneira, é 2GHz de largura de banda), e a taxa de amostragem é apenas o dobro disso - amostras de 4G / s -, portanto, não é uma super amostragem suficiente para um simples mas talvez que é onde o 3 bits entram.ΣΔΣΔ
uhoh
@ Andy eu adicionei uma recompensa.
uhoh
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O que você provavelmente está vendo aqui é usar os ADCs em um pipeline. Você pode fazer uma conversão em velocidade muito alta usando ADCs de pipeline . Aqui você passa seu sinal para vários ADCs de baixo bit que fazem comparações rápidas como em uma peneira. Em sua encarnação mais simplista, cada ADC é de 1 bit e é um comparador simples; portanto, o primeiro analisa e diz "é maior ou menor que isso" e o repassa para o próximo comparador.
Dave

Respostas:

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É um desperdício amostrar com muitos bits, porque a relação sinal / ruído no ADC de um radiotelescópio é tipicamente << 1; portanto, o uso de muitos bits apenas resolveria o ruído. (Uma exceção a isso é quando há uma forte interferência de radiofrequência que precisa ser resolvida, mas esse não é um grande problema para o ALMA devido à sua localização e observação de frequências).

As medições de alta faixa dinâmica surgem após a média de muitas amostras (ou correlações de amostras), o que aumenta o SNR para um nível significativo.

O uso de pouquíssimos bits no ADC introduz ruído de quantização que reduz a eficiência do instrumento, mas 3 bits são suficientes para atingir 96% de eficiência [1].

[1] Fórmulas convenientes para eficiência de quantização

Ben Barsdell
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Ei, obrigado por sua atenção à minha pergunta perdida! Você pode expandir um pouco sua explicação para que eu e outros leitores possamos entendê-la melhor? Vou ler o link sobre perda de eficiência devido ao ruído de quantização, mas não consigo parar de me preocupar com a possível perda de informações ou distorção do sinal devido ao ruído de quantização. Existe uma maneira simples de entender por que isso não introduz algum tipo de problema? Como outros sistemas usam ADCs de 1 bit, há algo que estou totalmente faltando aqui. Obrigado!!
uhoh
O artigo vinculado (Thompson 2007) menciona "... Relatório de Laboratório de Pesquisa em Rádio 51 da Universidade de Harvard, datado de 1943, quando foi classificado". Eu olhei aqui pensando que um relatório anterior pode conter algumas informações básicas, mas parece que ainda está indisponível !
uhoh
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A resolução dos ADCs está inversamente relacionada ao tempo de conversão. Obter mais bits requer que o sinal viaje por mais circuitos, o que leva tempo. É por isso que você pode ter os ADCs de áudio de alta qualidade com resolução de 18 ou 20 bits, que operam em frequências na faixa de kHz, o que significa que cada conversão pode levar vários milissegundos. No 4GS / s, você tem apenas 250 picossegundos à sua disposição, portanto, você pode obter apenas 3 bits (e apenas 1 bit a 8GS / s).

como é obtida uma medida que requer alta faixa dinâmica usando ADCs de poucos bits?

Isso depende da natureza da medição, mas a solução típica é fazer medições sucessivas e calcular a média.

Dmitry Grigoryev
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Obrigado, mas preciso de algo um pouco mais específico do que "depende da natureza da medição". Conhecemos a natureza da medição aqui. Não preciso de uma análise completa, mas algum tipo de esboço matemático de como um ADC de poucos bits pode fazer medições de alta faixa dinâmica necessárias para ver uma fonte fraca na presença de muitas fontes de rádio fortes. 3 bits, 2 bits, 1 bit ???
uhoh
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Intuitivamente, você pensa na quantização como algo que descarta informações. Isso pode ser verdade no final, mas não é uma maneira útil de ver isso. Pense o contrário, a quantização adiciona um sinal de erro. Se você souber como é esse sinal de erro, ele oferece a oportunidade de analisar como o processamento digital transforma o erro e se acaba interferindo no sinal desejado (e quanto essa interferência será).

O ALMA é um array em fases, obtém sua precisão a partir da correlação de fases se vários receptores (da mesma forma, a fase for tipicamente mais importante que a amplitude nos esquemas de modulação recentes). A função de erro para a fase normalmente é um dente de serra, à medida que o fasor (de um sinal de limpeza teórico) gira. A aparência exata da função e a frequência fundamental dependem das propriedades do ADC (e algumas vezes das configurações do AGC). A frequência do sinal de erro será n vezes a frequência recebida, sendo n = 12 ou n = 8 valores típicos. Eu teria que examinar os detalhes do ALMA, não estou familiarizado com este.

Agora considere como essa função de erro é amostrada. Não há como atenuá-lo antes da amostragem, portanto, imagens alias de harmônicas dessa serra acabam nos seus dados digitais. Você pode calcular onde essas harmônicas estão e quão fortes elas são. E você pode alterá-los alterando a taxa de amostragem (com uma determinada frequência de sinal fixa). Se você deseja observar uma certa largura de banda e otimizar a taxa de amostragem, pode descobrir que possui o 11º harmônico (com amplitude 1/11) em algum lugar do seu sinal, mas pode evitar todos os harmônicos mais baixos (e mais fortes).

Investir em mais bits para quantização reduz a amplitude dos erros, aumentando ao mesmo tempo a frequência fundamental da função de erro. Você pode descobrir que a contribuição dos erros de quantização já está na magnitude de outras fontes de ruído; portanto, não há muito a ganhar com o desempenho geral do sistema. Normalmente, esse é o caso de aplicativos de espectro de propagação de código direto, como sistemas GNSS.

Andreas
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Gostaria de passar essa pergunta para o site dsp, mas não tenho reputação suficiente em astronomia para sugerir isso (exceto comentar minha própria resposta).
Andreas
Por que não faço uma pergunta um pouco diferente, mas não faça essa pergunta! A radioastronomia tem alguns aspectos práticos específicos para gerar imagens quantitativas de fontes de rádio estendidas através da atmosfera da Terra. Veja, por exemplo, aqui não existe "esquema de modulação", e amplitude e fase são importantes!
uhoh
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@ uhoh Desculpe, eu estava olhando para isso um problema da minha perspectiva demais. É claro que esta questão é sobre astronomia, embora tenha algumas relações com o processamento de sinais. A metodologia para analisar a quantização se aplica, no entanto. Quando se trata de amplitude, a integração de dados de várias antenas fornece mais precisão do que apenas 3 bits. E eu pensaria que essa potência pode ser calculada ao longo do tempo, porque não há estrutura temporal no sinal observado. Isso também adicionará precisão.
Andreas
Eu adicionei uma recompensa - tem outra chance?
uhoh