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Expertenrat Simultane Über- und Unterabtastung

| Autor: Kristin Rinortner

Frage: Warum haben moderne A/D-Wandler eine Signalbandbreite, die viel größer als ihre maximale Abtastfrequenz ist? Verlangt die Abtasttheorie nicht, dass die Signalfrequenz auf die Hälfte der Abtastfrequenz begrenzt ist? Würde man nicht Energie sparen, wenn die Eingangsstufen niedrigere Bandbreiten hätten?

Selten gestellte Fragen
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(Quelle: fotolia)

Antwort: Dies ist in der Tat bei „Sampling“-A/D-Wandlern, die im letzten Jahrzehnt entwickelt wurden, zu einem geläufigen Leistungsmerkmal geworden. Die höhere Bandbreite hat selten eine große Auswirkung auf den Energieverbrauch eines A/D-Wandlers. Denn die Eingangsstufe von A/D-Wandlern besteht normalerweise aus einer Abtastschaltung mit geschalteten Kondensatoren. Bei ADCs mit Eingangspuffern ist die Leistungsaufnahme dieser Verstärker ungefähr proportional zu ihrer Bandbreite. Da sich die Prozesse zur Herstellung von Verstärkern jedoch immer weiter entwickeln, liefert jede folgende Generation mehr Bandbreite bei geringerer Leistungsaufnahme.

Die Abtasttheorie [1] sagt, dass beim Abtasten eines komplexen Signals (zusammengesetzt aus verschiedenen Frequenzkomponenten) mit einer Abtasttaktfrequenz von weniger als der doppelten Maximalfrequenz des Signals ein als „Aliasing“ bekanntes Phänomen auftritt. Das Abtasten mit einer Taktfrequenz, die so niedrig ist, dass sie „Aliasing“ verursacht, bezeichnet man als „Undersampling“ oder Unterabtastung.

In den Anfängen von abtastenden oder „Sampled”-Datensystemen war das Eingangssignal fast immer ein Basisbandsignal mit einer Frequenz von DC (oder bei AC-Kopplung in der Nähe von DC) bis zu einer Grenzfrequenz, die normalerweise durch ein Tiefpassfilter definiert wurde. In solchen Systemen kann „Aliasing“ den einwandfreien Betrieb verhindern und ein ernstes Problem darstellen.

Falls die gesamte Bandbreite des Signals jedoch weniger als die Hälfte der Abtastfrequenz beträgt, ist „Aliasing” kein Problem. Vorausgesetzt, die Beziehung zwischen der Abtastfrequenz und dem Bereich von Signalfrequenzen ist richtig definiert. Heute arbeiten viele Datensysteme mit Signalen höherer Frequenz, jedoch relativ schmaler Bandbreite (zum Beispiel die Zwischenfrequenzen von Digitalradios) und niederfrequenteren Taktsignalen. Die A/D-Wandler für diese Systeme müssen große Signalbandbreiten haben, brauchen aber keine hohen maximalen Taktfrequenzen.

Man kann die Auflösung eines Datensystems verbessern, indem man die Abtasttaktrate erhöht – dies bezeichnet man als „Oversampling“ oder „Überabtastung“. Bei einer kleinen Signalbandbreite kann man mit den in der Eingangsfrage erwähnten A/D-Wandlern selbst bei einer hohen Signalfrequenz und einer Taktfrequenz, die wesentlich höher ist als die Signalbandbreite, aber wesentlich niedriger als die Mittenfrequenz des Signals, ein hochleistungsfähiges System realisieren. Ein solches System ist simultan „unterabtastend” und „überabtastend”, obwohl das auf den ersten Blick nicht so aussieht.

[1] Oft als Nyquist- oder Nyquist-Shannon- bzw. Abtasttheorie nach Harry Nyquist und Claude Shannon bezeichnet, die zu den ersten Entwicklern dieser theoretischen Grundlage gehörten.

Autor: Von Uwe Bröckelmann nach Unterlagen von Analog Devices.

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 Kristin Rinortner

Kristin Rinortner

, ELEKTRONIKPRAXIS - Wissen. Impulse. Kontakte.