¿Por qué el aliasing del ruido de banda ancha no se "acumula" en la banda de muestra?

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Recientemente construí una simulación para estudiar el muestreo, los efectos del aliasing y los efectos de los filtros anti-aliasing en la señal muestreada.

Para frecuencias fundamentales por encima de la banda de muestra, es obvio que se ven "impostores" en la señal muestreada. Utilizando un filtro antialiasing puedo eliminar impostores.

Pero si prefiero imponer una señal de ruido de banda ancha (en realidad ruido blanco) en el muestreador, entonces no hay mucha diferencia si el filtro anti-alias está presente o no. El ruido pico a pico es el mismo en ambos casos. Por supuesto, el ancho de banda del ruido ha cambiado.

Pero, además, yo esperaría que el ruido de banda ancha con alias impostores fuera de la banda de muestra se superpusiera al ruido de banda ancha que se transmite genuinamente en la banda de muestra, por lo que se 'acumula' con un mayor pico a nivel pico.

¿Por qué no sucede esto?

Debo mencionar que mi paso de tiempo de simulación está en el MHz y mi sistema en estudio en el rango de 1 kHz. Así que el sistema está virtualmente en un mundo continuo.

    
pregunta docscience

2 respuestas

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Usted tiene razón: después del muestreo, los componentes de ruido de alias se acumulan en la banda de frecuencia por debajo de la frecuencia de Nyquist. La pregunta es exactamente qué es exactamente lo que se acumula, y cuál es su consecuencia.

En lo siguiente, asumo que tratamos con ruido aleatorio modelado como un proceso aleatorio estacionario de sentido amplio (WSS), es decir, un proceso aleatorio para el cual podemos definir un espectro de potencia. Si \ $ N (t) \ $ es el proceso de ruido y \ $ R_k = N (kT) \ $ es el proceso de ruido muestreado (con período de muestra \ $ T \ $), entonces el espectro de potencia de \ $ R_k \ $ es una versión con alias del espectro de potencia de \ $ N (t) \ $:

$$ S_R (f) = f_s \ sum_ {k = - \ infty} ^ {\ infty} S_N (f-kf_s) \ tag {1} $$

donde \ $ f_s = 1 / T \ $ es la frecuencia de muestreo. Por supuesto, si \ $ N (t) \ $ está limitado en la banda (que siempre es el caso), entonces solo se agregará un número finito de espectros de potencia desplazada de \ $ N (t) \ $ en la banda de interés \ $ [0, f_s / 2] \ $.

La potencia de ruido viene dada por la integral del espectro de potencia respectivo. En el caso de \ $ N (t) \ $ tenemos que integrar todo el ancho de banda de \ $ N (t) \ $, mientras que en el caso del ruido muestreado \ $ R_k \ $ tenemos que integrar en la banda \ $ [0, f_s / 2] \ $. De (1) queda claro que en ambos casos obtenemos la misma potencia porque integramos el espectro de potencia original \ $ S_N (f) \ $, o integramos una versión con alias (es decir, apilada) en la banda \ $ [0, f_s / 2] \ $.

  

En consecuencia, la potencia de ruido no cambia después del muestreo, independientemente de la frecuencia de muestreo. El ruido muestreado tiene la misma potencia que el ruido original de tiempo continuo.

Por lo tanto, la potencia del ruido muestreado solo cambia si cambia la potencia del ruido de tiempo continuo, y esto puede hacerse mediante el filtro anti-aliasing, porque el filtro reduce el ancho de banda del ruido y, en consecuencia, la potencia de ruido. . Tenga en cuenta que solo mirar el valor pico a pico no dice mucho, porque necesita considerar la potencia.

Referencia:

E.A. Lee, D.G. Messerschmitt: Comunicación digital , 2ª ed., Sección 3.2.5 (pp. 64)

    
respondido por el Matt L.
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La energía representada por la señal muestreada se relaciona solo con el PDF (función de densidad de probabilidad) de la señal de entrada y la frecuencia de muestreo. El ancho de banda real de la señal de entrada no afecta esto.

En otras palabras, cuando se submuestrea una señal de ancho de banda amplio, se obtiene un conjunto de muestras que tienen el mismo PDF que la señal de banda ancha original, pero esas muestras solo tienen un ancho de banda efectivo de Fs / 2. El "exceso" de energía fuera de ese ancho de banda simplemente nunca fue capturado por el proceso de muestreo.

Si duplica la frecuencia de muestreo, "capturará" el doble de energía.

    
respondido por el Dave Tweed

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