Por que os ADCs dos receptores ALMA são apenas de 3 bits?

acima: Tabela 1 dos destaques do desempenho dos correladores ALMA

Os receptores ALMA usam ADCs de 3 bits para o que parece ser uma aplicação de alto alcance dinâmico, necessitando de quantização muito mais precisa para obter algo útil.

Então eu encontrei essas frases no resumo do número de bits ADC e da potência de entrada necessária, em novas aplicações radioastronômicas :

Resumo - Na maioria das vezes, as observações de radioastronomia até agora foram realizadas em faixas de frequência protegidas, reservadas pela UIT para fins científicos. Isso significa que, idealmente, apenas o ruído equivalente amplificado do sistema está presente no final da cadeia do receptor (ou seja, a entrada ADC). Portanto, normalmente, apenas alguns bits são necessários para descrever o sinal (os sinais VLBI são digitalizados com apenas 2 bits), mas hoje os astrônomos, a fim de obter mais sensibilidade e observar com ousadia onde ninguém havia observado antes, gostaria de estudar o céu do rádio mesmo fora das faixas protegidas ...

E até encontrei um ADC de 1 bit em Medições de Desempenho de ADCs de 8 bits e 1 bit, desenvolvido para observações astronômicas de rádio de banda larga .

Acho que estou perdendo algo óbvio, mas não consigo entender como uma medição que requer alta faixa dinâmica é obtida usando ADCs de poucos bits.

editar: É possível que a conversão real de analógico para digital seja feita com uma precisão muito maior do que a sugerida pelo número de bits?

É um desperdício amostrar com muitos bits, porque a relação sinal / ruído no ADC de um radiotelescópio é tipicamente << 1; portanto, o uso de muitos bits apenas resolveria o ruído. (Uma exceção a isso é quando há uma forte interferência de radiofrequência que precisa ser resolvida, mas esse não é um grande problema para o ALMA devido à sua localização e observação de frequências).

As medições de alta faixa dinâmica surgem após a média de muitas amostras (ou correlações de amostras), o que aumenta o SNR para um nível significativo.

O uso de pouquíssimos bits no ADC introduz ruído de quantização que reduz a eficiência do instrumento, mas 3 bits são suficientes para atingir 96% de eficiência [1].

[1] Fórmulas convenientes para eficiência de quantização

A resolução dos ADCs está inversamente relacionada ao tempo de conversão. Obter mais bits requer que o sinal viaje por mais circuitos, o que leva tempo. É por isso que você pode ter os ADCs de áudio de alta qualidade com resolução de 18 ou 20 bits, que operam em frequências na faixa de kHz, o que significa que cada conversão pode levar vários milissegundos. No 4GS / s, você tem apenas 250 picossegundos à sua disposição, portanto, você pode obter apenas 3 bits (e apenas 1 bit a 8GS / s).

como é obtida uma medida que requer alta faixa dinâmica usando ADCs de poucos bits?

Isso depende da natureza da medição, mas a solução típica é fazer medições sucessivas e calcular a média.

Intuitivamente, você pensa na quantização como algo que descarta informações. Isso pode ser verdade no final, mas não é uma maneira útil de ver isso. Pense o contrário, a quantização adiciona um sinal de erro. Se você souber como é esse sinal de erro, ele oferece a oportunidade de analisar como o processamento digital transforma o erro e se acaba interferindo no sinal desejado (e quanto essa interferência será).

O ALMA é um array em fases, obtém sua precisão a partir da correlação de fases se vários receptores (da mesma forma, a fase for tipicamente mais importante que a amplitude nos esquemas de modulação recentes). A função de erro para a fase normalmente é um dente de serra, à medida que o fasor (de um sinal de limpeza teórico) gira. A aparência exata da função e a frequência fundamental dependem das propriedades do ADC (e algumas vezes das configurações do AGC). A frequência do sinal de erro será n vezes a frequência recebida, sendo n = 12 ou n = 8 valores típicos. Eu teria que examinar os detalhes do ALMA, não estou familiarizado com este.

Agora considere como essa função de erro é amostrada. Não há como atenuá-lo antes da amostragem, portanto, imagens alias de harmônicas dessa serra acabam nos seus dados digitais. Você pode calcular onde essas harmônicas estão e quão fortes elas são. E você pode alterá-los alterando a taxa de amostragem (com uma determinada frequência de sinal fixa). Se você deseja observar uma certa largura de banda e otimizar a taxa de amostragem, pode descobrir que possui o 11º harmônico (com amplitude 1/11) em algum lugar do seu sinal, mas pode evitar todos os harmônicos mais baixos (e mais fortes).

Investir em mais bits para quantização reduz a amplitude dos erros, aumentando ao mesmo tempo a frequência fundamental da função de erro. Você pode descobrir que a contribuição dos erros de quantização já está na magnitude de outras fontes de ruído; portanto, não há muito a ganhar com o desempenho geral do sistema. Normalmente, esse é o caso de aplicativos de espectro de propagação de código direto, como sistemas GNSS.