过采样技术

简介

　　过采样技术一般分三步：

　　1、高速（相对于输入信号频谱）采样模拟信号

　　2、数字过采样低通滤波

　　3、抽取数字序列。

　　采用这项技术，既保留了输入信号的较完整信息，降低了对输入 信号频谱的要求，又可以提高采样子系统的精度。

作用

　　1、过采样降低对模拟抗混叠滤波器的限制

　　在采样过程中首要的问题是采样频率的选择，Nyquist采样定理指出：若连续信号x（t）是有限带宽的，其频谱的频率为fc，对x（t）采样时，若保证采样频率fs≥2fc，那么，就可由采样信号恢复出x（t）。在实际对x（t）作采样时，首先要了解x（t）的截止频率fc，以确定应选取的采样频率fs。若x（t）不是有限带宽的，在采样前应使用抗混叠（anti－aliasing）滤波器对x（t）作模拟滤波，以去掉f＞fc的高频成分。

　　因此，在AD转换前就需要模拟低通滤波器具有尖锐的滚降特性，来限制模拟信号的频谱。一个理想的滤波器应能让所有低于fs／2的频率通过，而完全阻隔掉所有大于fs／2的频率。通常，滤波器和采样频率的选择是将我们感兴趣的频带限制在DC和fs／2之间。

　　2、过采样提高信噪比

　　经模拟滤波后，模拟信号被采样并转换成数字值，因为数字域仅包含有限的字长，若要用它来表示连续信号，就要引入量化误差，量化误差为±0．5LSB。因为一个N位的ADC的输入范围被分成2N个离散的数值，每一个数值由一个N位的二进制数表示，所以，ADC的输入范围和字长N是量化误差的一个直接表示，也是分辨率的一个直接表示。代表数字值的字长决定了信噪比，因此通过增加信噪比可以增加转换的分辨率。加入三角波信号可提高信噪比（详见TI公司的资料：Oversampling Techniques Using theTMS320C24x Family，June 1998）。

　　如果输入信号在两个量化步长q1与q0之间，则它将被量化成q1或q0。当增加一个适当的三角波信号，并高速采样，将会量化出一系列的q1与q0，这两个值出现的比例就代表了此输入信号在两个量化步长之间的相对位置。要应用这种方法得到比较好的效果，三角波信号的幅度必须为（n＋0．5）LSB，其中，n＝0，1，2，．．．。

应用

　　过采样技术主要由两个应用方向：一个是与噪声整形和数字滤波技术一起实现一种新的ADC结构--∑-ADC；另一个是 用过采样方法提高现有N位ADC的分辨率，同时来减小系统中ADC需要的模拟滤波器的精度要求。

　　过采样技术是提高测控系统分辨率的常用方法，已经被广泛应用于各个领域。例如，过采样成功抑制了多用户CDMA系统中相互正交用户码接收机(A Mutually Orthogonal Usercode-Receiver，AMOUR)的噪声,提高了光流估计（optical flow estimation，OFE）的精度，改善了正交频分复用（OFDM）信号的峰-均比等。

软件实现

　　实现过采样的DSP软件包括以下6个主要模块。

　　1、外设初始化

　　采用EVA模块的TIMER1来启动ADC转换并且提供PWM输出，TIMER1工作于连续增计数模式，周期寄存器的值等于AD转换速率，由周期匹配事件来启动AD转换。

　　2、三角波信号产生

　　由前面论述可知，三角波信号由PWM信号产生，PWM信号的占空比由编程TIMER1的比较寄存器（T1CMPR）决定。为了得到三角波信号，T1CMPR中的值需要由某一步长（STEP）来不断地增加和减少，而这一步长由定时器周期寄存器（T1PR）和过采样因子（K）决定，其计算公式如下：

　　STEP=2*T1PR/K

　　用一标志（FLAG）表示三角波的上升或下降，它用来决定比较寄存器中的值被STEP增加还是减少了。CURRENT代表当前定时器比较寄存器中的值。用软件改变PWM占空比的流程如图5所示。

　　3、数据采集

　　AD转换完成后产生中断，在中断服务子程序中读出每次转换的结果，作为数字低通滤波的输入。

　　4、数字滤波

　　采用FIR结构的滑动平均滤波器（MovingAverage Filter），滑动平均滤波器的Z变换为：

　　从输入xi计算输出yi的表达式为：

　　5、抽取

　　抽取过程将以K倍来降低的数据率。一般来说，抽取操作是和数字滤波结合在一起的，即，只需在数字滤波中计算每K个输出值。

　　6、中断服务程序

　　在中断服务程序中执行以下几个操作：调整PWM占空比、读出AD转换值、数字滤波（其中包括抽取）。