过采样增加 ADC 的动态范围
ADC是一种常用的模数转换电路，过采样是一种通过增加采样频率来提高 ADC 性能的技术。
动态范围
ADC 的动态范围（Dynamic Range），是衡量其性能的一项核心指标。简单来说，它指的是 ADC 能够分辨的信号幅值范围，即从可检测到的最小信号幅值到最大不失真信号幅值之间的跨度 。这个范围通常用分贝（dB）来表示，它反映了 ADC 对不同强度信号的分辨能力。比如，一个动态范围为 60dB 的 ADC，意味着它能够区分的最大信号强度是最小信号强度的 1000 倍。
在实际应用中，动态范围对于信号处理的意义重大。以音频信号处理为例，如果 ADC 的动态范围不足，当录制一段包含轻柔背景音乐和强烈鼓点的音乐时，轻柔的部分可能会被噪声淹没，而强烈的鼓点则可能因为超出 ADC 的量程而产生失真，无法还原出音乐原本丰富的细节和动态变化。
N位ADC的动态范围(DR)计算公式如下：
动态范围 = 6.021N + 1.763 dB
ADC的动态范围对于一个接收机来说，影响至关重要。从公式可知，要提升ADC的动态范围需要增加ADC的位数。那有没有其他方法？
量化噪声
在传统的采样方式中，量化噪声均匀地分布在 0 到奈奎斯特频率（即采样频率的一半，f_s/2)）的频带内。这意味着在整个信号带宽内，噪声都对信号产生干扰，限制了 ADC 对信号细节的分辨能力。而过采样技术的出现，打破了这种局面。当采用过采样时，采样频率大幅提高，假设过采样率为 R（即采样频率变为原来的 R 倍），此时量化噪声不再局限于 0 到f_s/2)的频带，而是分散到了 0 到Rf_s/2)的更宽频带内 。其功率密度降低为原来的1/OSR。
过采样提升动态范围的原理
噪声整形与滤波
过采样通过提高采样频率，将量化噪声分散到更宽的频带中。随后，通过数字低通滤波器去除高频噪声，从而在目标频带内降低噪声水平，提高信噪比（SNR）。
具体来说，过采样率（OSR）与SNR的提升关系可以用以下公式表示：
SNROS=6.02N+1.76 dB+10×log10(OSR)
其中，N是ADC的位数，OSR是采样频率与输入信号频率两倍（奈奎斯特频率）的比值
信号与噪声的叠加效果
在过采样过程中，相关信号会以线性方式相加，而不相关噪声（如量化噪声）则以平方根的方式相加。例如，当采样率加倍时，SNR会提高约3dB；采样率提高四倍时，SNR会提高约6dB。
有效位数的提升
通过过采样，ADC的有效位数（ENOB）也会增加。
由于过采样提升了信噪比，根据上述公式，在 SINAD 增大的情况下，ENOB 也随之增大。
局限性
数据处理量增大：过采样会产生大量的数据，对后续的数据存储和处理带来压力。例如，若采样频率提高 4 倍，数据量也会相应增加 4 倍，需要更高速的数据总线和更大容量的存储器。
功耗增加：提高采样频率通常会导致 ADC 的功耗增加。一方面，时钟频率的提高会使电路中的开关动作更加频繁，增加动态功耗；另一方面，数字信号处理部分对大量数据的处理也会消耗更多的能量。
