ADC 的基本概念 - 量化雜訊與訊噪比

類比數位轉換器 (ADC) 提供類比訊號到數位訊號的重要轉換。 這種轉換會產生量化雜訊。因此,瞭解量化雜訊的機制將有助於如何提高訊噪比。

:one: 量化雜訊
下圖中,藍色斜線是連續的類比訊號,階梯狀波形是經過ADC轉換後的離散訊號。如果我們把這個兩個相減,會得到右邊那個像鋸齒波一樣的量化誤差。

圖1:量化誤差(圖片來源:TI)

量化雜訊(Quantization Noise),這裡Q值代表量化,如果取樣越快,兩個Q之間的距離越小,Q的幅值越低,也就是量化雜訊的幅值越低。雖然Q值幅值變低,但是它包圍的面積不變。因此,改變取樣速度,可以改變量化雜訊的幅值,但不能改變量化雜訊的總能量。

圖2:數位化後的Sine波形(圖片來源:TI)

從時域裡看,對於一個類比的Sine波形,經過ADC轉換數位化後,我們會得到鋸齒狀的Sine波形。我們加快取樣速度,可以把鋸齒變得很細,但是依舊存在,並且量化雜訊的總能量不變。

:two: 訊噪比
如果我們把上面的Sine波形放到頻域裡看。我們希望訊號頻率的幅值儘量大,而雜訊幅值儘量小。

圖3:Sine波幅頻相應曲線(圖片來源:TI)

上圖的雜訊主要來源於量化雜訊,透過訊噪比計算,我們會得到一個固定的公式:

訊噪比 SNR(dB) = 6.02N + 1.76(雜訊僅考慮量化雜訊)

  • SNR 指的是量化雜訊訊噪比(Signal noise ratio)
  • N 指的是ADC取樣位數。如果我們把N提高,訊噪比提高,即訊號更大,雜訊更小。取樣品質變好,因此,提高ADC取樣位數,可以提高取樣品質。

在 Digi-Key 中選擇合適的 ADC

對於 ADC 採樣,我們可以在 Digi-Key 類比數位轉換器 (ADC) 中透過參數來篩選合適的 ADC。譬如透過 ADC 取樣位數、取樣速率等關鍵參數來篩選合適的ADC:

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圖4:在Digi-Key網站中透過參數篩選查找ADC