ナイキストサンプリング定理計算機
ナイキストサンプリングレート、オーバーサンプリング比、エイリアシング周波数、ADC ダイナミックレンジ、SNR、およびデータレートを計算します。サンプリングレートがナイキスト基準を満たしていることを確認し、システムでエイリアシングが発生しないようにしてください。
公式
参考: Nyquist, H. (1928). "Certain Topics in Telegraph Transmission Theory". AIEE Transactions. Shannon-Nyquist sampling theorem.
仕組み
ナイキスト・サンプリング・カリキュレータは、ADCの選択、アンチエイリアシング・フィルタ設計、デジタル信号処理システムのアーキテクチャに不可欠な最小サンプリング周波数とエイリアシングのない帯域幅を計算します。DSP エンジニア、組込み開発者、オーディオ・プロフェッショナルは、これを利用して信号を忠実に再現しています。ナイキスト・シャノンの定理 (1949 年) では、エイリアシングを防ぐために、サンプリング周波数は最大信号周波数の2倍を超えなければならないとされています。実際のシステムでは、実際のフィルターのロールオフに対応するために 2.2 ~ 2.5 倍のオーバーサンプリングを使用します。オッペンハイムの「信号とシステム」(第2版、第7章)によると、エイリアシングによって高周波成分がベースバンドに折りたたまれ、不可逆的な歪みが生じます。CD オーディオは、20 kHz の帯域幅 (2.205 倍) で 44.1 kHz でサンプリングされます。プロフェッショナルオーディオは 96 kHz (4.8 倍のオーバーサンプリング) を使用しており、実用的なフィルターで -120 dB のエイリアシング除去を実現しています。最新のデルタシグマADCは64~256倍のオーバーサンプリングを採用していますが、速度は分解能と引き換えです。64倍のオーバーサンプリングされた1ビットコンバータは、シュライアーあたり16ビット相当の分解能を実現します。
計算例
90 dB のダイナミックレンジが必要な 5 kHz 振動センサー用のサンプリングシステムを設計します。ステップ 1: ナイキスト最小値 = 2 × 5 kHz = 10 kHz。ステップ 2: 実用的なアンチエイリアシングを行うには 2.5 倍のオーバーサンプリング (fs = 25 kHz) を選択します。ステップ 3: アンチエイリアス・フィルタのカットオフ = 5 kHz、12.5 kHz (fs/2) のストップバンドには 90 dB の減衰が必要です。ステップ 4: フィルター次数:バターワースにはログ (10^9) /ログ (12.5/5) = 22.5-> 23 次 (実用的ではありません) が必要です。ステップ 5:8 次楕円フィルター (90 dB ストップバンド) を使用するか、4 次バターワースを使用できるようにオーバーサンプリング (fs = 20 kHz) を 4 倍に増やします。Kester によると、4 倍のオーバーサンプリングを行うと、フィルター要件が 40 dB 緩和されます。ステップ 6:90 dB の分解能には (90-1.76) /6.02 = 14.7 ビットが必要です-> 16 ビット ADC を選択してください。
実践的なヒント
- ✓AES17-2015に従い、オーディオには最低2.2倍のオーバーサンプリングを使用し、4倍はよりシンプルなアンチエイリアスフィルターを有効にします
- ✓64倍以上のオーバーサンプリングを備えたデルタ・シグマADCでは、アナログ・デバイセズのAN-283に準拠した外部アンチエイリアス・フィルタの要件が不要
- ✓IEEE 1057に準拠したフィルタ遷移帯域の帯域幅マージンを信号周波数より10~ 20% 上回ると予算
- ✓広帯域信号の場合、信号帯域幅が中心周波数未満の場合は、アンダーサンプリング (バンドパスサンプリング) を検討してください。
よくある間違い
- ✗ナイキスト・レートのちょうど2倍でのサンプリング — 無限次ブリックウォール・フィルターが必要。オッペンハイムでは最小2.2〜2.5倍を使用
- ✗アンチエイリアシング・フィルタの設計を怠ると、エイリアシングされた信号は回復できず、すべての低周波が破壊される
- ✗ADCアパーチャ帯域幅の見落とし — サンプル・アンド・ホールドは0.1dB未満のドループで信号をfs/2までトラッキングする必要がある
よくある質問
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