Передискретизация

Передискретиза́ция (англ. resampling) в обработке сигналов — изменение частоты дискретизации дискретного (чаще всего цифрового) сигнала. Алгоритмы передискретизации широко применяются при обработке звуковых сигналов, радиосигналов и изображений (передискретизация растрового изображения — это изменение его разрешения в пикселях). Отсчёты сигнала, соответствующие новой частоте дискретизации, вычисляются по уже имеющимся отсчётам и не содержат новой информации.

Повышение частоты дискретизации называется интерполяцией, понижение — децимацией

П ри классическом подходе к процессу дискретизации (рис. 94) эффективное значение шума квантования в полосе частот от 0 до F_s/2 составляет (Q – вес младшего разряда, F_s  следования выходных отсчетов). Значительная часть шума квантования попадает в ра­бочую полосу частот. При соблюдении условия теоремы Котельникова (полоса частот полезного сигнала меньше либо равна F_s/2) аналоговый фильтр на входе преобразователя должен обладать высокой крутизной спада АЧХ за поло­сой пропускания (F>F_a) для эффективного ослабления высоко­частотных шумов и помех, проникающих в рабочую полосу в результате интерференции с гармониками частоты диск­ретизации. В подавляющем большинстве случаев это ак­тивный ФНЧ. Но добиться удовлетворительного коэффи­циента гармоник у таких фильтров – весьма непростая задача, так же, как и малых фазовых искажений. Тут можно столкнуться с глубоким противоречием.

Другой способ улучшения разрешения преобразовате­ля – передискретизация (рис. 95). При этом входной сиг­нал квантуется с частотой KxF_s (К – отношение передиск­ретизации), а частота выходного цифрового потока равна уже F_s.

В водятся два новых элемента схемы: цифровой фильтр и дециматор – устройство снижения частоты следования отсчетов. Шум квантования в полосе частот от F_s до KxF_s/2 подавляется цифровым фильтром в выходном потоке. Это приводит к улучшению отношения сиг­нал/шум на величину, равную 10·lgК. Кроме того, можно добиться малой неравномерности АЧХ и ФЧХ цифрового фильтра и высокой линейности. Аналоговый фильтр вырождается в простое RC-звено. Для улучшения отношения сигнал/шум на 6 дБ (1 бит) требуется соответственно увеличить коэффициент передискретизации в 4 раза. Для сохранения значения этого коэффициента в разумных пределах можно разбить спектр шума квантования так, чтобы основная его часть была между F_s/2 и KxF_s/2 и только небольшая в области 0...F_s/2. Эту функцию выполняет дельта-сигма модулятор. После такого распределения цифровой фильтр легко подавит значительную часть энергии шума квантования, и общее отношение сигнал/шум, определяющее динамический диапазон, ощутимо возрастет.

Дальнейший анализ дельта-сигма АЦП производится в частотном аспекте, используя линейную модель (рис. 96). Интегратор представлен как аналоговый фильтр с заданной передаточной характеристикой H(f), имеющей амплитудную зависимость, обратно пропорциональную частоте. Квантователь показан как каскад усиления, предшествующий сумматору шума к вантования.

Рис. 96

Выходная величина Y может быть представлена как разность X-Y, умноженная на передаточную функцию аналогового фильтра и на коэффициент передачи усиливающего звена, а затем сложенная с шумом квантования Q. Если положить коэффициент передачи равным 1, а передаточную функцию представить как 1/f, то в результате математических преобразований получим:

Y = (X-Y)/f+Q = X/(f+1)+Q·f/(f+1)

Отсюда следует, что на частоте f, равной 0, Y = X. С увеличением частоты величина Х уменьшается, а значение шумовой компоненты возрастает. Так как аналоговый фильтр действует как ФНЧ на сигнал и как ФВЧ на шум квантования, такие модуляторы с фильтрами часто называют шумообразующими (рис. 97).

Р ис. 97