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在示波器上使用DSP濾波技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)
2012-12-18
當(dāng)前所有高速實(shí)時(shí)數(shù)字示波器都采用了各種形式的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)(DSP)。某些工程師擔(dān)心使用軟件對(duì)采集來(lái)的數(shù)據(jù)波形濾波可能會(huì)與實(shí)際的信號(hào)有出入。但是，示波器捕獲的原始波形未必表示的是實(shí)際輸入信號(hào)，示波器捕獲的“原始”波形數(shù)據(jù)中包括了失真的結(jié)果，這是由示波器的前端硬件濾波器造成的。在理想情況下，實(shí)時(shí)示波器擁有無(wú)限快的采樣速率、完美的平坦頻響、線(xiàn)性相位響應(yīng)、沒(méi)有底噪聲及帶寬高。但在實(shí)際環(huán)境中，示波器具有硬件限制，這種限制產(chǎn)生了誤差。DSP濾波技術(shù)最終可以在一定程度上校正硬件導(dǎo)致的誤差，改善測(cè)量精度，增強(qiáng)顯示質(zhì)量。
最簡(jiǎn)單的波形重建，采用線(xiàn)性插補(bǔ)濾波器。盡管這類(lèi)濾波器將改善測(cè)量分辨率、精度和顯示質(zhì)量，但更精確的內(nèi)插技術(shù)是sin(x)/x 波形內(nèi)差濾波技術(shù)，這是一種對(duì)稱(chēng)濾波器。圖1是使用線(xiàn)性?xún)?nèi)差 (頂部的藍(lán)色曲線(xiàn))和sin(x)/x 內(nèi)差 (底部的黃色曲線(xiàn))的3GHz正弦波實(shí)例。通過(guò)線(xiàn)性?xún)?nèi)差，我們可以清楚地看到這一使用20 G 樣點(diǎn)每秒采樣的示波器，得到的樣點(diǎn)間隔為50 ps。
Sin(x)/x內(nèi)插濾波雖然是更精確地表示輸入信號(hào)的方法，但有一些問(wèn)題要注意。首先，為使sin(x)/x 內(nèi)插濾波絕對(duì)精確，示波器的采樣率要保證能處理任何低于Nyquist頻率 (fN)的頻率成分。Nyquist頻率定義為取樣頻率(fS)的½。對(duì)可以以20 GSa/s速率采樣的示波器，Nyquist頻率是10 GHz。為提供最大帶寬、同時(shí)保證能將10 GHz以上的頻率完全濾掉，在理論上，示波器必須有一個(gè)10 GHz或10GHz以下的硬件“磚墻式濾波器”。遺憾的是，磚墻濾波器在物理上是不能通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)的。圖2中的紅色曲線(xiàn)(頂部)表示磚墻濾波器的特點(diǎn)，Nyquist頻率以下的所有頻率成分都完全通過(guò)，Nyquist頻率之上的所有頻率成分都完全被濾掉。
如前所述，sin(x)/x DSP濾波會(huì)明顯改善測(cè)量分辨率和精度，使其遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于實(shí)時(shí)取樣間隔 (1/取樣速率)。通過(guò)安捷倫20 GSa/s 54855A示波器，在單次采集中使用sin(x)/x濾波時(shí)，增量時(shí)間測(cè)量精度可以改進(jìn)到+/-7 ps (峰值)。在某些情況下，使用sin(x)/x濾波技術(shù)會(huì)影響吞吐量，換句話(huà)說(shuō)，濾波器導(dǎo)致示波器顯示屏更新速度太慢。但是，由于使用sin(x)/x濾波可以增強(qiáng)精度，因此所有缺點(diǎn)顯得都不那么重要。
目前，所有主要實(shí)時(shí)示波器廠(chǎng)商都允許用戶(hù)決定是否使用sin(x)/x濾波技術(shù)。這種工作模式是安捷倫示波器是一種默認(rèn)選項(xiàng)，但用戶(hù)可以選擇其它選項(xiàng)。
來(lái)源 示波器 http://www.jeraylynn.com/
最簡(jiǎn)單的波形重建，采用線(xiàn)性插補(bǔ)濾波器。盡管這類(lèi)濾波器將改善測(cè)量分辨率、精度和顯示質(zhì)量，但更精確的內(nèi)插技術(shù)是sin(x)/x 波形內(nèi)差濾波技術(shù)，這是一種對(duì)稱(chēng)濾波器。圖1是使用線(xiàn)性?xún)?nèi)差 (頂部的藍(lán)色曲線(xiàn))和sin(x)/x 內(nèi)差 (底部的黃色曲線(xiàn))的3GHz正弦波實(shí)例。通過(guò)線(xiàn)性?xún)?nèi)差，我們可以清楚地看到這一使用20 G 樣點(diǎn)每秒采樣的示波器，得到的樣點(diǎn)間隔為50 ps。
Sin(x)/x內(nèi)插濾波雖然是更精確地表示輸入信號(hào)的方法，但有一些問(wèn)題要注意。首先，為使sin(x)/x 內(nèi)插濾波絕對(duì)精確，示波器的采樣率要保證能處理任何低于Nyquist頻率 (fN)的頻率成分。Nyquist頻率定義為取樣頻率(fS)的½。對(duì)可以以20 GSa/s速率采樣的示波器，Nyquist頻率是10 GHz。為提供最大帶寬、同時(shí)保證能將10 GHz以上的頻率完全濾掉，在理論上，示波器必須有一個(gè)10 GHz或10GHz以下的硬件“磚墻式濾波器”。遺憾的是，磚墻濾波器在物理上是不能通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)的。圖2中的紅色曲線(xiàn)(頂部)表示磚墻濾波器的特點(diǎn)，Nyquist頻率以下的所有頻率成分都完全通過(guò)，Nyquist頻率之上的所有頻率成分都完全被濾掉。
如前所述，sin(x)/x DSP濾波會(huì)明顯改善測(cè)量分辨率和精度，使其遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于實(shí)時(shí)取樣間隔 (1/取樣速率)。通過(guò)安捷倫20 GSa/s 54855A示波器，在單次采集中使用sin(x)/x濾波時(shí)，增量時(shí)間測(cè)量精度可以改進(jìn)到+/-7 ps (峰值)。在某些情況下，使用sin(x)/x濾波技術(shù)會(huì)影響吞吐量，換句話(huà)說(shuō)，濾波器導(dǎo)致示波器顯示屏更新速度太慢。但是，由于使用sin(x)/x濾波可以增強(qiáng)精度，因此所有缺點(diǎn)顯得都不那么重要。
目前，所有主要實(shí)時(shí)示波器廠(chǎng)商都允許用戶(hù)決定是否使用sin(x)/x濾波技術(shù)。這種工作模式是安捷倫示波器是一種默認(rèn)選項(xiàng)，但用戶(hù)可以選擇其它選項(xiàng)。
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