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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。

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公式

fN=2fsig,OSR=fsfN,SNR=20log10(2)N+10log10(3/2) dBf_N = 2 f_{sig},\quad OSR = \frac{f_s}{f_N},\quad SNR = 20\log_{10}(2)\cdot N + 10\log_{10}(3/2)\text{ dB}

参考: Nyquist, H. (1928). "Certain Topics in Telegraph Transmission Theory". AIEE Transactions. Shannon-Nyquist sampling theorem.

f_Nナイキスト・レート (最小サンプリング・レート) (Hz)
f_sig信号の最大周波数/帯域幅 (Hz)
f_s実際のサンプリングレート (Sa/s)
OSRオーバーサンプリング比
NADC 解像度 (bits)
SNR信号対量子化雑音比 (dB)

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

エイリアシングが発生し、fs/2 を超える周波数ではベースバンドに戻ります。20 kHz でサンプリングされた 15 kHz のトーンが 5 kHz (fs-f信号) で現れます。シャノンによると、エイリアス処理された情報は永久に失われ、デジタル処理では復元できません。ADC の前には必ずアンチエイリアシング・ローパス・フィルタを使用してください。
実用的なアンチエイリアスフィルタのロールオフには限りがあります。Kesterによると、fs/2で80 dBの除去を実現するには、2倍のオーバーサンプリングには26次のフィルタ、2.5倍には10次のフィルタ、4倍には5次のものが必要です。オーバーサンプリングを高くすると、サンプル・レートと引き換えにフィルタの簡略化と帯域内位相歪みの低減につながります。
必要なビット N = (ダイナミックレンジ_dB-1.76) /6.02音声:8-12 ビット (48-72 デシベル)。コンシューマーオーディオ:16 ビット (98 dB)プロフェッショナルオーディオ:24 ビット (理論上は 144 dB、実用上では最大 120 dB)。サイエンティフィック:18 ビットから 24 ビットIEEE 1241 に従い、処理ヘッドルームに 2 ビットのマージンを追加してください。
いいえ。エイリアシングを行うと、シャノンの定理に従って高周波数成分と低周波数成分が不可逆的に混合されます。30 kHz の信号を 44.1 kHz のエイリアスで 14.1 kHz のエイリアスでサンプリングしたもので、本当の 14.1 kHz のトーンと区別することはできません。アンチエイリアシング・フィルタによる防止が唯一の解決策です。
いいえ。ベースバンド信号 (DC から fmax): 最大 2.2 ~ 4 倍の周波数でサンプリングします。バンドパス信号 (fc 付近の狭帯域): 2.2 倍の帯域幅でアンダーサンプリングを使用します。Proakisによると、帯域幅が10MHzの100MHzの信号は、バンドパスサンプリングを使用して25MHzでサンプリングできるため、ADCの速度要件を4倍削減できます。

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