ALMAレシーバーのADCが3ビットしかないのはなぜですか？

上：ALMAコリレータのパフォーマンスハイライトの表1

ALMAレシーバーは、有用なものを得るためにはるかに細かい量子化を必要とするハイダイナミックレンジアプリケーションであると思われるものに3ビットADCを使用します。

次に、新しい電波天文学アプリケーションで、必要なADCビット数と入力電力の抽象内にこれらの文を見つけました。

要約-ほとんどの場合、これまでのところ電波天文観測は、ITUが科学的目的のために予約した保護された周波数帯域で行われています。つまり、理想的には、増幅された等価システムノイズのみがレシーバチェーンの最後（つまり、ADC入力）に存在します。したがって、通常、信号を記述するために必要なのは数ビットのみです（VLBI信号は2ビットのみでデジタル化されます）が、今日の天文学者は、より高い感度を得て、これまで誰も観察したことがない場所を大胆に観察するために、研究したいと考えています保護されたバンドの外でも電波の空...

また、広帯域電波天文観測用に開発された8 Gsps 1ビットADCのパフォーマンス測定で、1ビットADCさえ見つけました。

明らかなものは見当たらないと思いますが、数ビットのADCを使用して高いダイナミックレンジを必要とする測定がどのように行われるのか理解できません。

編集：実際のアナログからデジタルへの変換は、ビット数で示されるよりもはるかに高い精度で行われる可能性はありますか？

電波望遠鏡のADCでの信号対雑音比は通常<< 1であるため、多くのビットを使用してサンプリングすることは無駄です。（これの例外は、解決する必要がある強力な無線周波数干渉がある場合ですが、これはその位置と観測周波数により、ALMAにとって大きな問題ではありません）。

ハイダイナミックレンジ測定は、多数のサンプル（またはサンプルの相関）を平均化した後に発生し、SNRを意味のあるレベルに引き上げます。

ADCでごく少数のビットを使用すると、量子化ノイズが発生して機器の効率が低下しますが、96％の効率を達成するには3ビットで十分です[1]。

[1]量子化効率の便利な公式

ADCの分解能は、変換時間に反比例します。より多くのビットを取得するには、信号がより多くの回路を通過する必要があり、時間がかかります。これが、kHz範囲の周波数で動作する18ビットまたは20ビットの分解能を持つ高品質のオーディオADCを使用できる理由です。つまり、各変換には数ミリ秒かかることがあります。4GS / sでは、250ピコ秒しか自由に使用できないため、3ビットしか取得できません（8GS / sでは1ビットのみ）。

数ビットのADCを使用して、高いダイナミックレンジを必要とする測定を行う方法

これは測定の性質に依存しますが、通常の解決策は、連続して測定を行い、平均を計算することです。

直感的には、量子化を情報を破棄するものと考えています。それは結局本当かもしれませんが、それを見るのに便利な方法ではありません。逆に考えると、量子化はエラー信号を追加します。このエラー信号がどのように見えるかがわかっている場合は、デジタル処理がエラーをどのように変換するか、そして目的の信号を妨害することになるかどうか（およびその妨害の程度）を分析する機会が得られます。

ALMAはフェーズドアレイであり、複数のレシーバーの場合は位相の相関から精度が得られます（同様に、最近の変調方式では通常、振幅よりも位相が重要です）。位相の誤差関数は、（理論的にはクリーンな信号の）フェーザが回転するので、通常のこぎり波です。関数の外観と基本周波数は、ADCのプロパティに依存します（AGC設定に依存する場合もあります）。エラー信号の周波数は、受信周波数のn倍になります。n= 12またはn = 8が一般的な値です。ALMAの詳細を調べる必要がありますが、これについてはよく知りません。

次に、この誤差関数がどのようにサンプリングされるかを考えます。サンプリングする前に減衰させる方法はないので、このノコギリ波の高調波のエイリアス画像はデジタルデータに含まれます。これらの高調波がどこにあり、どれだけ強いかを計算できます。また、（特定の固定信号周波数で）サンプリングレートを変更することにより、それらをシフトできます。特定の帯域幅を観察し、サンプリングレートを最適化した場合、信号のどこかに11番目の高調波（振幅1/11）があることがわかるかもしれませんが、より低い（そして強い）高調波をすべて回避できます。

量子化のためにより多くのビットに投資すると、エラーの振幅が減少し、同時にエラー関数の基本周波数が高くなります。あなたは、量子化誤差の寄与がすでに他のノイズ源の大きさにあるので、全体的なシステム性能のために得るものは多くないことに気付くかもしれません。これは通常、GNSSシステムなどの直接コードスペクトラム拡散アプリケーションの場合です。