We derive a scaling law relating ADC bit depth to effective bandwidth for signals with $1/f^α$ power spectra. Quantization introduces a flat noise floor whose intersection with the declining signal spectrum defines an effective cutoff frequency $f_c$. We show that each additional bit extends this cutoff by a factor of $2^{2/α}$, approximately doubling bandwidth per bit for $α= 2$. The law requires that quantization noise be approximately white, a condition whose minimum bit depth $N_{\min}$ we show to be $α$-dependent. Validation on synthetic $1/f^α$ signals for $α\in \{1.5, 2.0, 2.5\}$ yields prediction errors below 3\% using the theoretical noise floor $Δ^2/(6f_s)$, and approximately 14\% when the noise floor is estimated empirically from the quantized signal's spectrum. We illustrate practical implications on real EEG data.


翻译:针对具有$1/f^α$功率谱的信号,我们推导了模数转换器(ADC)位深与有效带宽之间的标度关系。量化会引入平坦的噪声基底,其与衰减的信号频谱的交点定义了一个有效截止频率$f_c$。我们证明,每增加一个量化比特,该截止频率会扩展$2^{2/α}$倍;当$α= 2$时,每比特带宽约翻倍。该定律要求量化噪声近似为白噪声,我们证明了满足此条件的最小位深$N_{\min}$与$α$相关。在$α\in \{1.5, 2.0, 2.5\}$的合成$1/f^α$信号上进行验证,使用理论噪声基底$Δ^2/(6f_s)$时预测误差低于3%,而通过量化信号频谱经验估计噪声基底时误差约为14%。我们以真实脑电图(EEG)数据为例说明了其实际意义。

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