Warum sind die ADCs der ALMA-Empfänger nur 3-Bit?

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Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

oben: Tabelle 1 aus den Leistungshighlights der ALMA-Korrelatoren

Die ALMA-Empfänger verwenden 3-Bit-ADCs für eine Anwendung mit hohem Dynamikbereich, die eine viel feinere Quantisierung erfordert, um etwas Nützliches zu erhalten.

Dann fand ich diese Sätze in der Zusammenfassung der ADC-Bitnummer und der benötigten Eingangsleistung in neuen radioastronomischen Anwendungen :

Zusammenfassung - Bisher wurden Radioastronomie-Beobachtungen größtenteils in geschützten Frequenzbändern durchgeführt, die von der ITU für wissenschaftliche Zwecke reserviert wurden. Dies bedeutet, dass im Idealfall nur das verstärkte äquivalente Systemrauschen am Ende der Empfängerkette (dh am ADC-Eingang) vorhanden ist. Normalerweise sind nur wenige Bits erforderlich, um das Signal zu beschreiben (VLBI-Signale werden mit nur 2 Bits digitalisiert), aber heutzutage möchten Astronomen, um mehr Empfindlichkeit zu erhalten und mutig zu beobachten, wo noch niemand zuvor beobachtet hat, studieren der Funkhimmel auch außerhalb der geschützten Bänder ...

Und ich fand sogar einen 1-Bit-ADC in Leistungsmessungen von 8-Gsps-1-Bit-ADCs, die für astronomische Breitband-Funkbeobachtungen entwickelt wurden .

Ich glaube, mir fehlt nur etwas Offensichtliches, aber ich kann nicht verstehen, wie eine Messung, die einen hohen Dynamikbereich erfordert, durch die Verwendung von ADCs mit wenigen Bits erreicht wird.

edit: Ist es möglich, dass die eigentliche Umwandlung von Analog zu Digital mit einer weitaus höheren Genauigkeit erfolgt, als durch die Anzahl der Bits vorgeschlagen?

uhoh
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Als gelegentlicher Nicht-Astronomen-Enthusiast habe ich keine Ahnung, was dies verlangt. Aber +1 für die nerdigste und beeindruckendste komplexe Frage, die ich je hier gesehen habe.
IMerchant
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Ich bin nicht qualifiziert, aber ich vermute, dass eine Delta Sigma-Konvertierung (oder ähnliches) stattfindet. Ein 1-Bit-ADC (eigentlich nur ein Komparator) kann bei sehr hohen Frequenzen auf einem integrierten Signal verwendet werden, um einen Hochgeschwindigkeits-Bitstrom zu erzeugen. (Anstelle eines viel langsameren Satzes von Mehrbit-Samples.) Dann gibt Ihnen der Anteil von 1s im Bitstrom indirekt den analogen Pegel. (Ich denke, ihr 3-Bit-Konverter ist eine exotischere Version der üblichen 1-Bit-Methode.)
Andy
Also das ist was a ΣΔADC ist - danke! Das macht langsam Sinn. Ich denke, das Basisband ist 0-2 GHz (oder 2-4 GHz - es kann sowieso irgendwo nach oben verschoben werden, es hat eine Bandbreite von 2 GHz), und die Abtastrate ist nur doppelt so hoch - 4 G Abtastwerte / Sek. - also ist es für ein einfaches nicht genug ÜberabtastungΣΔaber vielleicht kommen hier die 3 Bits ins
Spiel
@ Andy Ich habe ein Kopfgeld hinzugefügt.
Uhoh
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Was Sie hier wahrscheinlich sehen, ist die Verwendung der ADCs in einer Pipeline. Sie können eine sehr schnelle Konvertierung mithilfe von Pipeline-ADCs durchführen . Hier leiten Sie Ihr Signal an eine Reihe von Low-Bit-ADCs weiter, die schnelle Vergleiche wie in einem Sieb durchführen. In seiner einfachsten Inkarnation ist jeder ADC 1-Bit und ein einfacher Komparator. Der erste betrachtet ihn also und sagt "ist er größer oder kleiner als dieser" und gibt ihn an den nächsten Komparator weiter.
Dave

Antworten:

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Es ist verschwenderisch, mit vielen Bits abzutasten, da das Signal-Rausch-Verhältnis am ADC eines Radioteleskops typischerweise << 1 ist, so dass die Verwendung vieler Bits nur das Rauschen auflösen würde. (Eine Ausnahme ist, wenn starke Hochfrequenzstörungen behoben werden müssen, dies ist jedoch aufgrund der Position und der Beobachtung der Frequenzen kein großes Problem für ALMA.)

Messungen mit hohem Dynamikbereich treten auf, nachdem viele Proben (oder Korrelationen von Proben) zusammengemittelt wurden, wodurch das SNR auf ein sinnvolles Niveau angehoben wird.

Die Verwendung von sehr wenigen Bits am ADC führt zwar zu Quantisierungsrauschen, das die Effizienz des Instruments verringert, aber 3 Bits reichen aus, um einen Wirkungsgrad von 96% zu erreichen [1].

[1] Praktische Formeln für die Quantisierungseffizienz

Ben Barsdell
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Hey, danke für deine Aufmerksamkeit für meine lange verlorene Frage! Können Sie Ihre Erklärung etwas erweitern, damit ich und andere Leser sie besser verstehen können? Ich werde den Link über Effizienzverluste aufgrund von Quantisierungsrauschen lesen, aber ich kann nicht aufhören, mir Sorgen über mögliche Informationsverluste oder Signalverzerrungen aufgrund von Quantisierungsrauschen zu machen. Gibt es eine einfache Möglichkeit zu verstehen, warum dies kein Problem darstellt? Da andere Systeme sogar 1-Bit-ADCs verwenden, fehlt mir hier etwas völlig. Vielen Dank!!
Uhoh
Ihr verlinkter Artikel (Thompson 2007) erwähnt "... Radio Research Laboratory Report 51 der Harvard University, datiert 1943, zu welchem ​​Zeitpunkt er klassifiziert wurde." Ich habe hier nachgesehen und gedacht, dass ein früher Bericht einige grundlegende Erkenntnisse enthalten könnte, aber es scheint, dass er immer noch nicht verfügbar ist !
Uhoh
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Die Auflösung von ADCs steht in umgekehrter Beziehung zu ihrer Konvertierungszeit. Um mehr Bits zu erhalten, muss das Signal mehr Schaltkreise durchlaufen, was einige Zeit in Anspruch nimmt. Aus diesem Grund können Sie diese hochwertigen Audio-ADCs mit einer Auflösung von 18 oder 20 Bit verwenden, die bei Frequenzen im kHz-Bereich arbeiten. Dies bedeutet, dass jede Konvertierung mehrere Millisekunden dauern kann. Bei 4GS / s stehen Ihnen nur 250 Pikosekunden zur Verfügung, sodass Sie nur 3 Bit (und nur 1 Bit bei 8GS / s) erhalten können.

Wie kommt eine Messung, die einen hohen Dynamikbereich erfordert, mit wenigen Bit-ADCs zustande?

Dies hängt von der Art der Messung ab. Die typische Lösung besteht jedoch darin, aufeinanderfolgende Messungen durchzuführen und den Durchschnitt zu berechnen.

Dmitry Grigoryev
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Danke, aber ich brauche etwas Spezifischeres als "es hängt von der Art der Messung ab". Wir kennen hier die Art der Messung. Ich brauche keine vollständige Analyse, sondern eine Art mathematischen Überblick darüber, wie ein Wenig-Bit-ADC Messungen mit hohem Dynamikbereich erforderlich machen kann, um eine schwache Quelle in Gegenwart vieler starker Funkquellen zu erkennen. 3-Bit, 2-Bit, 1-Bit ???
Uhoh
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Intuitiv stellen Sie sich Quantisierung als etwas vor, das Informationen verwirft. Das mag am Ende wahr sein, aber es ist keine nützliche Sichtweise. Denken Sie umgekehrt, die Quantisierung fügt ein Fehlersignal hinzu . Wenn Sie wissen, wie dieses Fehlersignal aussieht, können Sie analysieren, wie die digitale Verarbeitung den Fehler umwandelt und ob er Ihr gewünschtes Signal stört (und wie stark diese Störung sein wird).

ALMA ist ein phasengesteuertes Array, dessen Genauigkeit sich aus der Korrelation von Phasen ergibt, wenn mehrere Empfänger vorhanden sind ( in neueren Modulationsschemata ist die Phase typischerweise wichtiger als die Amplitude). Die Fehlerfunktion für die Phase ist typischerweise ein Sägezahn, wenn sich der Zeiger (eines theoretischen sauberen Signals) dreht. Wie die Funktion genau aussieht und wie hoch die Grundfrequenz ist, hängt von den Eigenschaften des ADC (und manchmal von den AGC-Einstellungen) ab. Die Fehlersignalfrequenz ist das n-fache der empfangenen Frequenz, wobei n = 12 oder n = 8 typische Werte sind. Ich müsste in die Details von ALMA schauen, ich bin mit diesem nicht vertraut.

Überlegen Sie nun, wie diese Fehlerfunktion abgetastet wird. Es gibt keine Möglichkeit, es vor dem Abtasten zu dämpfen, sodass Alias-Bilder der Harmonischen dieses Sägezahns in Ihren digitalen Daten landen. Sie können berechnen, wo diese Harmonischen sind und wie stark sie sind. Und Sie können sie verschieben, indem Sie die Abtastrate ändern (mit einer bestimmten festen Signalfrequenz). Wenn Sie eine bestimmte Bandbreite beobachten möchten und die Abtastrate optimieren, stellen Sie möglicherweise fest, dass sich die 11. Harmonische (mit einer Amplitude von 1/11) irgendwo in Ihrem Signal befindet, aber Sie können alle niedrigeren (und stärkeren) Harmonischen vermeiden.

Die Investition in mehr Bits zur Quantisierung verringert die Fehleramplitude und erhöht gleichzeitig die Grundfrequenz der Fehlerfunktion. Möglicherweise liegt der Beitrag von Quantisierungsfehlern bereits in der Größenordnung anderer Rauschquellen, sodass für die Gesamtsystemleistung nicht viel zu gewinnen ist. Dies ist normalerweise bei Anwendungen mit direktem Code-Spread-Spektrum wie GNSS-Systemen der Fall.

Andreas
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Ich würde diese Frage gerne auf die DSP-Site verschieben, aber ich habe nicht genug Ruf in der Astronomie, um dies überhaupt vorzuschlagen (außer meine eigene Antwort zu kommentieren).
Andreas
Warum stelle ich dort nicht eine etwas andere Frage, aber bitte verschieben Sie diese Frage nicht!. Die Radioastronomie hat einige praktische Aspekte, die spezifisch für die Erzeugung quantitativer Bilder ausgedehnter Radioquellen durch die Erdatmosphäre sind. Siehe zum Beispiel Es gibt hier kein "Modulationsschema" und Amplitude und Phase sind beide wichtig!
Uhoh
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@uhoh Sorry, ich habe mir dieses Problem aus meiner Sicht zu sehr angesehen. Bei dieser Frage geht es natürlich um Astronomie, obwohl sie einige Beziehungen zur Signalverarbeitung hat. Die Methode zur Betrachtung der Quantisierung gilt dennoch. Wenn es um die Amplitude geht, bietet die Integration von Daten von mehreren Antennen mehr Präzision als nur 3 Bit. Und ich würde denken, dass die Leistung über die Zeit gemittelt werden kann, da das beobachtete Signal keine zeitliche Struktur aufweist. Auch dies erhöht die Präzision.
Andreas
Ich habe ein Kopfgeld hinzugefügt - noch einen Versuch?
Uhoh