Segue un posto inserito nel forum di geologi.it in cui si parla tra le altre cose del comportamento dei sismogradi a 10 / 24 bit
Vorrei tentare di chiarire il problema della saturazione del segnale acquisito con un 12, 16 e 24 bit nell'ottica dei sondaggi MASW.
La differenza principale è una dalla definizione dello step minimo leggibile ( in pratica si ha una maggiore sensibilità aumentando i bit dell'adconverter ), la minore sensibilità per il 12 e 16 bit è compensata dalla presenza di un preamplificatore.
Vorrei tentare di chiarire il problema della saturazione del segnale acquisito con un 12, 16 e 24 bit nell'ottica dei sondaggi MASW.
La saturazione del segnale si ha quando il segnale acquisito supera generalmente i +/- 2 - 5 volt a seconda del modello del geofono e/o del valore di soglia dell'adconverter (componente hardware che permette di trasformare il segnale analogico in digitale).
Proviamo a piazzare a 2 metri dalla piastra tre geofoni uguali,
- il primo collegato a un sismografo a 24 bit,
- il secondo al 16 bit
- il terzo a un 12 bit
( tutti e tre con la stessa tensione di riferimento ( +/- 3 volt )
supponiamo che i sismografi 12 bit e 16 bit siano impostati con guadagno 1 e il 24 bit non sia ulteriormente amplificato.
esempio di acquisizione con adconverter 12,16,24 bit utilizzando gain diversi in base alla sensibilità strumentale, i segnali sono praticamente identici, varia solo il valore numerico letto che è il risultato del prodotto della definizione dell'adc ( strumentale e il gain applicato.
Diamo ora una mazzata sufficientemente forte che mandi in saturazione il sismografo a 12 bit, vuol dire che abbiamo generato con la mazzata una vibrazione tale a far produrre al geofono una corrente di +/-3 volt.
Pertanto il segnale acquisito dal sismografo a 12 bit va in saturazione.
Ora esaminiamo cosa succede al sismografo a 16 bit: essendo i geofoni uguale a quello a cui è collegato il 12 bit, con la medesima mazzata verrà generata una corrente di +/- 3 volt, valore questo che manda in saturazione anche l'ADconverter del sismografo a 16 bit avendo come valore di soglia anch'esso i 3 volt.
Stessa cosa avviene al sismografo 24 bit , 36 bit 64 bit ... se hanno anche loro valore di soglia di 3 volt e tutti andranno in saturazione.
A questo punto vi chiederete che differenza c'è tra un 12 bit, 16 bit e un 24 bit dal punto di vista della forma d'onda, la risposta è nessuna differenza, ciò che li diversifica è che il valore di saturazione che leggiamo sulla traccia del 12 bit è 2^12 = +/- 2 2048 , sul 16 bit 2^16 = +/- 32000 per il 24 bit = 2^24 = 838000
Gli altri valori del sismogramma sono proporzionali , pertanto l'aspetto grafico del segnale plottato su monitor dovrà essere corretto solo da un fattore di scala.
Identico è in rapporto segnale masw / rupore pertanto se abbiamo 830000 o 4096 come fondo scale anche il rapporto con il rumore corrispondente non cambia e pertanto anche lo spettro una volta elaborati i dati acquisiti.
Per i 24 canali le cose si complicano siano essi a 12 o 24 bit in quanto il decadimento del segnale tra il 13 e 24 ° canale si riduce con il quadrato della distanza, pertanto rende il segnale vero sempre più piccolo rispetto al rumore di fondo.
Quest'ultimo può sporcare notevolmente il grafico di dispersione in particolare in concomitanza delle basse frequenze hz> 10 hz che rendono difficile l'elaborazione.
Per ovviare a ciò è necessario allontanare il punto di battuta dal primo geofono, aumentare l'energia indotta dalla mazza, se ciò non è più possibile aumentare il gain per i sismografo 12 bit o 16 bit per il 24 bit questa operazione non è possibile per mancanza di preamplificatori.
Attenzione aumentare troppo il gain non serve in quanto si aumenta l'ampiezza del segnale vero ma contemporaneamente anche il rumore, utile è l'operazione della sommatoria del segnale.
In tutti i casi per calcolare le vs30 il range dinamico costituito da +/- 4096 step del 12 canali è più che sufficiente per fare una buona elaborazione masw con 12 geofoni, aumentando il numero di geofoni meglio aumentaare i bit dell'adconverter a 16 o 24.
Ora vediamo quali sono i benefici o meno di avere un sismografo a 12 - 16 -24 bit per eseguire i sondaggi Masw - vs30
La differenza principale è una dalla definizione dello step minimo leggibile ( in pratica si ha una maggiore sensibilità aumentando i bit dell'adconverter ), la minore sensibilità per il 12 e 16 bit è compensata dalla presenza di un preamplificatore.
Cosa vuol dire : con guadagno 1 x per un 12 bit non abbiamo la possibilità di registrare i microtremori di un sito lontano dal traffico urbano ma possiamo registrare in maniera ottima il segnale prodotto dalle onde superficiali a seguito della mazzata.
La ridotta sensibilità permette quindi di rilevare solo i segnali veri generati dalla mazza mentre i rumori ambientali non essendo rilevati non generano dispersione del segnale che spesso sporcano il grafico o lo rendono illeggibile in quanto bon registrabili dallo strumento se si mantiene una amplificazione del segnale relativamente bassa.
La ridotta sensibilità permette quindi di rilevare solo i segnali veri generati dalla mazza mentre i rumori ambientali non essendo rilevati non generano dispersione del segnale che spesso sporcano il grafico o lo rendono illeggibile in quanto bon registrabili dallo strumento se si mantiene una amplificazione del segnale relativamente bassa.
Per chi ha provato ad elaborare masw acquisito a 12 bit normalmente avrà potuto notare l'assenza o quasi di punti di dispersione sperimentali dovuti al rumore a meno che il sondaggio non venga fatto in città vicino al traffico urbano.
Per i sismografi a 16 bit 64 volte più sensibili di un 12 bit a parità di gain impostato il rumore ha un peso 64 volte superiore rispetto al caso precedente pertanto in condizioni di rumore ambientale elevato si ha ancora un segnale acquisito sufficientemente chiaro da elaborare in particolare se la mazzata è stata data sufficientemente forte ( in tutti i casi si ha la possibilità di amplificare o deamplificare il segnale per fare in modo di non acquisire microtremori .
E' consigliabile con il 16 bit prima di fare un MASW eseguire un test per trovare il gai da applicare a tutti i canali ottimale sufficientemente aplificato atto a regitrare microtremori con valori appena percettibili, in questo modo non genereranno frequenze anomale che potrebbero interferire con le frequenze generate dall'impulso della Massza Battente...
Nel caso del 24 bit il rumore incide 256 volte di più sensibile del segnale acquisito con un 16 bit e 4096 volte più elevato di un 12 bit e pertanto se si da una mazzata si registreranno sia i segnali generati dalla mazzata, sia quelli dovuti ai microtremori ( da o a 0,000 000 030 Volt ) pertanto si registreranno una serie di rumori dannosi che si sovrappongono ai segnali veri rendendo difficile l'elaborazione del dato e la comparsa di numerose anomalie grafiche sul grafico FK che possono rendere difficoltosa l'elaborazione.
esempio
12 bit segnale 2046, rumore 10 rapporto segnale/rumore = 204
12 bit segnale 2046, rumore 10 rapporto segnale/rumore = 204
16 bit 32000, rumore 160 rapporto segnale/rumore = 204
24 bit 838000, rumore 4107 rapporto segnale/rumore = 204
( i valori di rumore indicati sono rispettivamente quelli letti da un sismografo a 12, 16, 24 bit generati dal medesimo evento)
Concludendo un rumore acquisito da un sismografo 12 bit ( a parità di gain ) di ampiezza +/- 1 step diventa di +/-64 step per un 16 bit e di +/- 4096 step per un 24 bit
Quindi in tutti i 3 casi occorre generare la massima energia in fase di battuta, nel caso in cui si supera il valore di soglia del segnale al primo geofono, aumentare la distanza di offset, nel caso non dovesse essere superato il valore di soglia aumentare il gain (se il sismografo lo permette) oppure (meglio) accorciare la stesa sismica per avere un miglior rapporto guadano / rumore.
Un buon compromesso per il numero di geofoni utili per fare il masw è 16 in quanto permettono di avere più tracce sismiche di un 12 canali e permettere di avere il segnale degli ultimi geofoni sufficiente buono
Si può infine dire che un 12 bit amplificato con gain 8000 x oppure un 16 bit con gain 256 x hanno la medesima risoluzione di un 24 bit a parità di tensione di riferimento.
4 commenti:
La sensibilita (la + piccola variazione che si riesce a misurare) non è assolutamente la stessa se la conversione è a 12,16, 24 bit perchè la risoluzione è diversa. Come giustamente fatto notare, amplificare un segnale non conduce a niente perchè non migliora il rapporto segnale/rumore. Ma un segnale molto piccolo, proveniente da un geofono lontano dalla sollecitazione, può essere letto molto male da un convertitore a 12 bit, meglio se 16, ancora meglio se 24.
Inoltre, per la sua capacità di "vedere il piccolo", con 24 bit si può mantenere il segnale entrante basso, in modo da mai provocare saturazione. Questo è un'innegabile vantaggio.
quello che dice è vero, ma è anche vero che i 12 e 16 bit sono dotati di amplificatore a guadagno variabile
Facciamo due calcoli, prendiamo un geofono che legge +/- 5 volt
bit 12 16 24
2^bit 0,0012207 0,0000763 0,0000003
gain 4096 256 1
definizione 0,0000003 0,0000003 0,0000003
ammetto che 4096 di gain è molto per un 12 bit, ( anche se nolti 12 bit sono stati amplificati con tali valori.
amplivicando con un normalissimo 1000 x avremo un segnale 4 volte meno sensibile.
Occorre sapere che il 24 bit se si setta a 4000 hz di frequenza di campionamento perde almeno 2/4 bit in dinamica , , i veri 24 bit si hanno solo per frequenza inferiori a 100 hz pertanto anche la definizione del 24 bit si riduce di almeno 4/8 volte.
per quanto riguarda la frase" .....entrante basso, in modo da mai provocare saturazione. Questo è un'innegabile vantaggio. ..." non è vera anche se detta in buona fede sentendo quello che raccontano certi venditori anche loro in buona fede non essendo tecnici nel campo informatico ...
Come più volte ho già ripetuto se noi prendiamo tre sismografi, con gli stessi geofoni da 4,5 hz , realizziamo tre stese sismiche parallele e colleghiamo i tre starter alla medesima piastra cosa succede se diamo una mazzata che manda in saturazione il primo geofono del 12 bit ?
va in saturazione il 16 bit e il 24 bit per due motivi
1°) che il geofono per costruzione a +/- 5 hz va in saturazione
2°) che il sismografo se ha un range di +/- 5 volt va anch'esso in saturazione
PROVARE PER CREDERE...... OPPURE CHIEDETE AD UN TECNICO PREPARATO NON LEGATO AD ALCUNA DITTA VENDITRICE DI SISMOGRAFI....
Dirò di più in internet esistono sismografi a 24 bit ( anche a 16 )( privatamente le posso dare il sito con relativa scheda tecnica ) che ha come input rage +/-24 volt che usano sensori da +/- 5 volt
cosa succede che utilizzano solo 40/5= 1/8 della loro dinamica, in pratica perdono tre bit e la cosa ancora più divertente per sopperire tale inconveniente hanno un gain ulteriore di 30 x, in pratica campionano meno di quanto avrebbero potuto acquisire e aggiungono un amplificatore per raggiunfer il valore prefissato..., non sarebbe bastato un input rage pari alle caratteristiche del sensore utilizzato......????
ancora due cose
Pro e contro
12 bit ormai non sono più utilizzati , va benissimo, il sismografo 12 bit costerebbe come un 16 - 24 bit
l'adconverte da 12 , 16, 24 bit costano tutti da 4 a 6 euro a canale e in alcuni casi anche meno, tutto il resto dell'hardware ha gli stessi costi.
1i 16 bit dotato di un amplificatore ben costruito e gestito in maniera automatica dal software ha un costo di progettazione realizzazione superiore rispetto al 24 bit ( che non ha bisogno di amplificatori ) , il vantaggio del 24 bit è quello di non dorver settare l'amplificazionema anche il problema di non poter ridurre i rumori ambientali in caso di sondaggi sismici e masw in centri cittadini campionamdo molto rumore cosa che non avviene con un 12 16 canali con gain ben settato , magari in maniera auromatica senza l'intervento dell'operatore.
comunque ringrazio della sua domanda , sono disposto a darle ulteriori chiarimenti
nella comunità esistono altri forum che trattano del problema
certamente se non si amplifica adeguatamente il segnale....
http://www.facebook.com/photo.php?pid=31566076&l=c8b479116f&id=1505847049
Se dovessi realizzare un acquisitore a 24 bit, tale soluzione la sceglierei solamente perché mi faciliterebbe la sua realizzazione, non mi servirebbe realizzare amplificatori a gain variabile settabili automaticamente e più facile la gestione dell'acquisizione.
questo è un esempio di acquisitore a 10 bit da 30 euro dotato di un adeguato amplificatore....
http://www.facebook.com/photo.php?pid=31843269&l=77d412e9f6&id=1505847049
Spero in futuro, quando usciranno i i 64 bit, i 128 bit di non sentire il solito discorso che che il il 64 è migliore del 24, che il 128 è migliore del 64 ecc quando si amplificherà il segnale di fattori enormi come pure il rumore.
La cosa è un poco come scli scanner da 64 nit o le schede audio da 32 bit che sono le migliori quando l'orecchio o l'occhio umano non riesce a recepire suoni o video con dinamica > di 16 bit
i risultati sono quelli riportati nel seguente link....
http://www.facebook.com/photo.php?pid=31705575&l=c7cb66ee5c&id=1505847049
questo risultato si ha con acquisitore a 24 bit, lo stesso problema si ha con un acquisitore a 16 bit amplificato a 256 x valore di amplificazione che non si usa mai in quanto è inutile amplificare così tanto il segnale in quanto si amplificherebbe anche il rumore mantenedo il rapporto segnale/rumore identico.
lo stesso discorso li può fare con un 12 bit con gain 4080....
si ricorda inoltre che i migliori oscilloscopi professionali sono degli 8 bit, con i quali si possono fare misure accurate da decine di volt a miglionesimi di volt, perchè a seconda della sensibilità che si vuole misurare occorre utilizzare un gain specifico.
Nel caso del sismografo logicamente la cosa è fattibile in maniera automatica e la differenza tra un buon 16 bit ed un altro dipende se il progettista del'hardware e del software di acquisizione ha applicato soluzioni tecniche a rendere ottimizzata l'acquisizione che purtroppo non tutti i sismografi a 16 bit in commercio hanno, specialmente quelli più obsoleti o meno automatizzati.
Per quanto riguarda il MASW e rifrazione aggiungerei il fatto che potendo gestire l'amplificazione durante le prove Masw e rifrazione con un 12 - 16 bit si possono ridurre i rumori - microtremori al minimo in fase di acquisizione amplificando quanto basta il segnale generato dalla mazzata.
In questo modo si acquisiranno segnali con ampiezza minore ma assenti o quasi di microtremori e rumori principale causa di anomalie prodotti sui grafici FK.
Tale possibilità a un 24 bit è impedita non potendo normalmente agire sull'amplificazione, potrebbe essere possibile intervenire da software.
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