Confronto tra sistemi di acquisizione

Quanto segue serve a mostrare la precisione che si ottiene acquisendo mediante il sistema JEA, nei confronti di altri sistemi di acquisizione che tra l’altro usano una risoluzione inferiore (ad es. a 16 bit) ed attuano tecniche di post-processing per cercare di aumentare le caratteristiche che sono già di base, limitate. 

Acquisizione a 24 bit reali del JEA.... attenzione ai falsi! 
FATTI NON SOLO IN ITALIA...

Il rumore

Acquisire mediante conversione a 24 bit significa avere la possibilità di “vedere” 256 volte meglio di un’acquisizione a 16 bit. Ciò consente di lavorare su segnali che sarebbero altrimenti invisibili. Nelle applicazioni geofisiche, così come in innumerevoli campi scientifici, ciò che importa in una acquisizione analogica è il rapporto segnale/rumore (S/N). Tanto più questo rapporto è elevato, tanto più c’è la speranza di potere ricavare le informazioni che si desiderano, processando il segnale. Analizziamo i vari fattori che, in un’acquisizione geofonica, maggiormente influenzano il rapporto S/N:

1. Interferenze elettromagnetiche
   Il cavo del geofono può essere lungo da 1 mt. a diversi metri e quindi, assieme alla struttura del geofono, è un’antenna per le onde elettromagnetiche, tipicamente la 50Hz (o 60HZ in altri paesi). Si ovvia a ciò schermando il cavo e collegando lo schermo al case del geofono. Anche se sembra impossibile, non tutti attuano questa elementare regola.

2. Rumore di fondo captato da geofono

   Le inevitabili vibrazioni del terreno (microtremori) costituiscono un rumore di fondo.

3. Rumore di interferenza con cavo/i del geofono/i adiacente/i
   Se i cavi dei geofoni viaggiano assieme e non sono neanche schermati, vi è interferenza tra i segnali dei geofoni. Il sistema JEA è completamente esente da questi disturbo, in quanto i cavi sono fisicamente separate gli uni dagli altri.
4. Rumore dell’amplificatore
   Lo stadio di amplificazione dell’apparecchio di acquisizione deve avere un amplificatore a basso rumore
5. Rumore di quantizzazione del convertitore A/D
   Il convertitore A/D che segue lo stadio di amplificazione ha un rumore di quantizzazione tanto più basso quanto più alti sono i bit della parola convertita. Con 16 bit si ha rapporto S/N che vale 98dB (ritenendo nulli i rumori elencati in precedenza), con 24 bit, S/N vale 146dB; in pratica, si migliora di circa 256 volte.

Queste considerazioni sono valide solo se vengono osservate le regole esposte in seguito.

Considerazioni

Se l’apparecchiatura di acquisizione ha un range per il segnale da acquisire che và da –2v a +2v, mediante una conversione a 24 bit si possono apprezzare, in teoria, segnali fino al microvolt !

E’ ovvio che in tali condizioni distinguere tra segnale e rumore è molto difficile, e bisogna attuare tutte le precauzioni per acquisire un segnale con S/N>0 dB, altrimenti non ha senso.

Anche amplificando il segnale prima che venga convertito in digitale ha senso se il rapporto S/N è >0 dB.

Il segnale geofonico è generalmente acquisito (almeno nelle apparecchiature serie) da un amplificatore “differenziale”; ciò consente di eliminare, in teoria, i disturbi che coinvolgono parimenti i due cavi del geofono. Ciò non evita di dovere adeguatamente schermare il cavo, per una migliore attenuazione delle interferenze. Il segnale da acquisire deve essere filtrato da un filtro passa-banda, che lasci passare solo le frequenze di interesse, generalmente tra 5Hz e 2000Hz; diminuendo la banda del segnale si diminuisce anche il rumore.

Inoltre, nelle apparecchiature JEA, un filtro elimina banda (50Hz o 60Hz) elimina in tempo reale queste fastidiose componenti del disturbo.

Filtrare ed elaborare il segnale dopo che è stato acquisito (post-processing) è molto più efficace se il S/N è buono di partenza.

24 bit reali ed i limiti del Sovra-campionamento (Oversampling)

Un trucco per potere, in teoria, ottenere alta risoluzione da una conversione A/D a risoluzione più bassa consiste nel sovracampionare (campionare a frequenza più alta) i segnali analogici.

Ad esempio, nel sistema JEA24 l’acquisizione avviene generalmente ad 8KHz, al fine da ottenere un segnale acquisito che abbia una banda che arrivi a 1 o 2 KHz; il teorema di Nyquist, qualora fosse possibile sfruttarlo esattamente come la teoria dice, ci consentirebbe di avere un segnale acquisito fino a 4 KHz.

Un sistema che esegue il sovra-campionamento deve acquisire a frequenze notevolmente superiori e quindi effettuare una media sui campioni ottenuti. Se acquisendo a 8KHz per 256msec ottengo 2048 campioni, acquisendo 10 volte più veloci ottengo 20480 campioni, ecc…

La relazione seguente fornisce il rapporto S/N (in dB) con sovra-campionamento:

n è il numero di bit del convertitore A/D, K è il fattore di sovra-campionamento, che vale 2 nel caso senza sovra-campionamento.

Si calcola che volendo ottenere 24 bit di risoluzione da un convertitore a 16 bit, il fattore K deve valere circa 126.000.

In vece di campionare a 8KHz dovrei campionare ad 1 GHz, ottenendo, per 256msec di acquisizione, 258 Mega campioni. Si può obbiettare che il fattore K si riduce notevolmente se viene effettuato un filtraggio come avviene nei convertitori Sigma Delta.

Ciò è possibile se il filtraggio è effettuato in tempo reale, da un hardware complesso, che comporta un anello di regolazione con diversi passaggi di digital signal processing.