智能傳感器中由于欠采樣引起的噪聲

　　很多系統(tǒng)開發(fā)人員喜歡使用完全集成式“智能傳感器”，因?yàn)檫@些器件通常可方便地給出數(shù)字輸出，對于偶爾使用的用戶來說可以規(guī)避乏味的模擬電路設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)所帶來的風(fēng)險(xiǎn)。雖然避開模擬電路設(shè)計(jì)問題的動(dòng)機(jī)可以理解，但系統(tǒng)集成人員了解智能傳感器的重要模擬特點(diǎn)也是非常關(guān)鍵的—比如帶寬和噪聲，因?yàn)檫@些因素會(huì)影響重大的系統(tǒng)級(jí)決策，如數(shù)據(jù)采樣和處理速率。

　　以自主駕駛車輛（AV）平臺(tái)為例，該平臺(tái)采用ADIS16460的陀螺儀作為其導(dǎo)航控制系統(tǒng)（GNC）中的反饋檢測元件。如果開發(fā)人員未能考慮這些陀螺儀的330Hz帶寬，那么就可能完全根據(jù)AV平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)配置來設(shè)置角速率反饋環(huán)路中的采樣速率。

　　例如，假設(shè)GNC工程師相信可以將AV平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)配置限制在4Hz頻譜成分以內(nèi)，那么以40 SPS速率進(jìn)行數(shù)據(jù)采集就會(huì)看起來是一種對于GNC角速率反饋環(huán)路的采樣速率而言較為保守的做法。不幸的是，如果不進(jìn)行任何前置濾波，那么這種“保守”的做法實(shí)際上會(huì)欠采樣330Hz帶寬，而這樣就會(huì)有很多劣勢。圖1顯示了其中一個(gè)劣勢，即對輸出奈奎斯特頻段（20Hz）內(nèi)的噪聲能量進(jìn)行重整分配。

　　圖1中，綠色曲線表示自然速率噪聲密度（RND），而紅色曲線表示同樣的總噪聲能量分布在較窄的20 Hz帶寬內(nèi)的結(jié)果。

　　圖1. ADIS16460角速率噪聲密度

　　假設(shè)總噪聲平均分布在低采樣速率（ 40 SPS ）奈奎斯特頻段內(nèi)，通過下述關(guān)系式可以預(yù)測，得到的速率噪聲密度將大約為0.017°/sec/√Hz：

　　這意味著使用2048 SPS全采樣速率時(shí)，對40 SPS數(shù)據(jù)的任何數(shù)字濾波都將導(dǎo)致產(chǎn)生比同類濾波器多大約4倍的噪聲。根本問題在于，對于系統(tǒng)集成人員而言，明智的做法是考慮智能傳感器中的關(guān)鍵模擬屬性，通過適當(dāng)選擇采樣速率以及正確設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器，便能有機(jī)會(huì)進(jìn)行性能優(yōu)化。