Warum mit einer bestimmten Frequenz abtasten, nur um es sofort herunterzusampeln?

Ich entschuldige mich, wenn diese Frage nicht gut gestellt ist. Ich lese eine Zeitung, die folgendes behauptet:

Die Magnetometervektoren werden mit 100 Hz abgetastet. Der Detektor filtert und tastet die Vektoren bis auf 10 Hz ab, um Signalrauschen zu entfernen und die für die Live-Verarbeitung auf der Smartwatch erforderliche Berechnung zu reduzieren.

Meine Frage ist: Wenn sie eine Abtastfrequenz von 10 Hz haben wollten, warum haben sie dann nicht zunächst nur mit 10 Hz abgetastet?

Wenn sie wollten, dass die Abtastfrequenz 10 Hz beträgt, warum haben sie dann nicht zunächst nur mit 10 Hz abgetastet?

Um Aliasing zu vermeiden , muss das Signal vor dem Abtasten tiefpassgefiltert werden. Das analoge Signal sollte keine Frequenzen über Fs / 2 enthalten (oder realistisch gesehen sollten sie so gedämpft sein, dass sie im Rauschen vergraben sind, oder auf einen Pegel, der niedrig genug ist, um die gewünschten Spezifikationen zu erfüllen).

Wenn Sie mit Fs = 10 Hz abtasten und beispielsweise 4 Hz-Signale erfassen möchten, muss Ihr Filter diese durchlassen und dennoch eine starke Dämpfung über 5 Hz bereitstellen, sodass eine flache Übertragungsfunktion im Durchlassbereich und dann ein steiler Abfall erforderlich sind nach der Grenzfrequenz.

Diese Filter höherer Ordnung sind im analogen Bereich schwierig und teuer zu implementieren, im digitalen Bereich jedoch sehr einfach. Digitale Filter sind auch sehr genau, die Grenzfrequenz hängt beispielsweise nicht von der Toleranz der Kondensatoren ab.

Daher ist es viel billiger, einen analogen Tiefpass niedriger Ordnung zu verwenden, der um einen großen Faktor überabtastet ist, und dann mit einem scharfen Digitalfilter auf die endgültige Abtastrate herunterzusampeln, die Sie tatsächlich wollen.

Dieselbe digitale Hardware kann auch für mehrere Kanäle verwendet werden. Bei dieser niedrigen Abtastfrequenz sind die Anforderungen an die Rechenleistung sehr gering, und ein moderner Mikrocontroller kann problemlos viele digitale Filterkanäle zu einem sehr günstigen Preis implementieren.

Sie haben das Wort Magnetometer erwähnt. Dies erweitert den Anwendungsbereich ein wenig.

Magnetometer für Unbekannte messen den magnetischen Fluss und erzeugen eine dem Fluss entsprechende proportionale Ausgangsspannung / -signal.

Es ist wahrscheinlich, dass Sie auch eine große Menge an unerwünschter "elektrischer Energie" aufgrund der abgestrahlten magnetischen Energie von elektrischen Kabeln in der Umgebung entdecken.

Tatsächlich kann ein direktes Abtasten bei 10 Hz in Gegenwart von 50 Hz Sie in den Wahnsinn treiben, da Sie möglicherweise nicht genau 10 Hz sind, und Sie werden sehen, wie eine langsame DC-Verschiebung über einen Zeitraum von mehreren Sekunden auf und ab aussieht.

Die 100-Hz-Frequenz trägt entscheidend dazu bei, dieses unerwünschte Signal von dem, was Sie tatsächlich sehen möchten, zu eliminieren. Dies ist typisch für Orte, an denen 50 Hz gefunden werden, in den USA natürlich 60 Hz.

Wenn Sie in einigen Ländern Magnetometer verwenden, funktioniert der 100-Hz / 10-Hz-Modus nicht so gut. Möglicherweise finden Sie ein anderes Modell für diese Märkte.

Die Antworten zu Antialiasing / Filtern usw. sind immer noch korrekt. Dies ist nur spezifischer für Ihren Anwendungsfall.

Sie werden nicht sofort heruntergesampelt. Sie "filtern und sampeln". Vermutlich handelt es sich bei dem Filter um einen Tiefpass, der Aliase beseitigt, die im heruntergesampelten Signal auftreten können. Die Filterung kann auch das Rauschen reduzieren, indem Informationen aus mehreren der 100-Sps-Abtastwerte verwendet werden, um zur Bestimmung jedes der Abtastwerte im dezimierten (10-Sps) Signal beizutragen.

Es gibt viele Fälle, in denen verschiedene schnelle (im Vergleich zum Signal) Rauschquellen die Messwerte beeinflussen können. Ein weiteres Beispiel ist eine Fotodiode, die langsame Messungen durchführt. Es kann leicht das Flackern von 50/60/100 / 120Hz verschiedener gängiger Lichtquellen erfassen, je nachdem, wo Sie sich gerade befinden, und möglicherweise sogar hochfrequentes LED- / Leuchtstofflicht-Flackern.

In einigen Fällen können Sie möglicherweise einen Tiefpassfilter für den Eingang verwenden. Oft ist es jedoch einfacher, die Filterung in der Software zu optimieren (z. B. einfaches Überabtasten und Mitteln einiger n Abtastwerte, wobei n vom Benutzer konfigurierbar ist).

Durch Verringern der Abtastrate wird die Einschwingzeit (nicht unbedingt) (linear) erhöht, sodass Sie im Wesentlichen eine Momentaufnahme des Eingangssignals erstellen. Tatsächlich basiert die Einschwingzeit beim MCP3002 beispielsweise auf der SPI-Taktrate, die möglicherweise aus anderen Gründen eingestellt wird, und überhaupt nicht auf der Abtastrate (was sinnvoll ist: Das Gerät kennt die Abtastrate nicht. nur die Tatsache, dass es zum Abtasten aufgefordert wird, aber die Datenblätter verwenden die aus der Abtastrate festgelegte Taktrate). Wenn die Geräteleistung durch die Taktrate bestimmt wird und die minimale Taktrate höher ist als für die Leistung gewünscht, können Sie auch schneller auslesen und die Mittelung ist kostengünstig.

Überabtastung erleichtert das Aliasing-Filter und das Einschwingverhalten mit einem SAR-ADC, während die Mittelwertbildung durch Dezimierung das Rauschen durch Root-n-Abtastwerte in der Software verringert. Wenn ein integrierender IDC-AD verfügbar wäre, könnte dies in einem Schritt erfolgen.