在示波器上使用DSP滤波技术的长处和缺点当前所有高速实时数字示波器都采用了各种情势的数字信号处理技术(DSP)。某些工程师担忧使用软件对采集来的数据波形滤波可能会与实际的信号有出入。但是，示波器捕获的原始波形未必表示的是实际输入信号，示波器捕获的“原始”波形数据中包括了失真的结果，这是由示波器的前端硬件滤波器造成的。在幻想情形下，实时示波器领有无穷快的采样速率、完善的平坦频响、线性相位响应、没有底噪声及带宽高。但在实际环境中，示波用具有硬件限制，这种限制产生了误差。DSP滤波技术终极可以在必定水平上校正硬件导致的误差，改良测量精度，加强显示品质。 当前机能较高的实时示波器中常用的DSP滤波技术有以下五种： 每种滤波器特点都可以在用有限脉冲响应(FIR)软件滤波器实现。本文先容了不同DSP滤波器的用处，以及相干的优点和缺点。本文没有供给实现各种DSP滤波器的实际软件有关的信息。 用于波形重建的DSP滤波技术 波形重建滤波用来在两个实际数据采样点之间“插入”数学运算点。插入的数据点可进步较快时基下的波形测量精度和使波形更濒临实在。等效/重复采样，也是一种透过插入点的办法实现的波形重建技术，但它的利用场合有限，仅对严厉重复的波形有效；对信号实时变更的运用场所，不能使用等效采样。必需在一次采集实现一个完全的波形捕捉，因此只能抉择软件的方法重建波形。 图1:线性内差 与 正弦内差 最简略的波形重建，采用线性插补滤波器。尽管这类滤波器将改善测量分辩率、精度和显示质量，但更精确的内插技术是sin(x)/x 波形内差滤波技术，这是一种对称滤波器。图1是使用线性内差 (顶部的蓝色曲线)和sin(x)/x 内差 (底部的黄色曲线)的3GHz正弦波实例。通过线性内差，咱们可以明白地看到这一使用20 G 样点每秒采样的示波器，得到的样点距离为50 ps。 Sin(x)/x内插滤波固然是更精确地表示输入信号的方法，但有一些问题要留神。首先，为使sin(x)/x 内插滤波相对精确，示波器的采样率要保证能处理任何低于Nyquist频率 (fN)的频率成分。Nyquist频率定义为取样频率(fS)的½。对可以以20 GSa/s速率采样的示波器，Nyquist频率是10 GHz。为提供最大带宽、同时保证能将10 GHz以上的频率完全滤掉，在理论上，示波器必须有一个10 GHz或10GHz以下的硬件“砖墙式滤波器”。遗憾的是，砖墙滤波器在物理上是不能通过硬件实现的。图2中的红色曲线(顶部)表示砖墙滤波器的特点，Nyquist频率以下的所有频率成分都完全通过，Nyquist频率之上的所有频率成分都完整被滤掉。 图2: 各种硬件滤波器的频率响应 从前，带宽较低的示波器个别具有高斯类型的滚降特点，如图2中的绿色曲线(底部)所示。如果您使用这种高斯类型的低速滚降滤波器处置速度十分快的信号，由于高于–3dB带宽的信号良多，超过Nyquist频率之上的频率成分(在本图顶用暗影区域表示)会涌现混叠现象。如果被测对象基波频率接近或超过Nyquist频率，混叠会使得显示的周期性波形看上去会像不触发一样，波形的测量误差会呈多少何级数增加。在输入信号的基波频率低于Nyquist频率，但信号谐波高于Nyquist频率时，您可能会在示波器显示屏上看到边沿“摇晃”的波形。为此，安捷伦在传统上始终把拥有高斯滚降特点、带宽较低的实时示波器的带宽限定为取样速率的¼，也就是Nyquist频率的½ ，目标是滤除高于Nyquist的谐波成分。 对某些带宽在2 GHz - 6 GHz之间的带宽较高的实时示波器，硬件滚降特点开始亲近实践砖墙滤波器。在大多数示波器测量中，这是一种盼望实现的特点。这类硬件滤波器称为高阶最大平坦滤波器，如图2中的蓝色曲线(旁边)所示。通过这类硬件滤波器，大多数带内频率以最小衰减传递，而大多数带外频率则被显明衰减。在高阶最大平坦响应时，示波器带宽开始靠近Nyquist极限。安捷伦倡议对存在高阶最大平坦响应的示波器，示波器带宽应限定在不大于取样速率的0.4倍。换句话说，为保障使用sin(x)/x滤波的波形重建技术的有效性和精确性，以20 GSa/s速率取样的示波器的带宽不得超过8 GHz。 在示波器中采用sin(x)/x 软件内插滤波器有什么毛病呢？如果输入信号在前期有频段限度，或如果示波器的硬件恰当地制约了Nyquist频率之上的取样频率成分，那么其问题可以降到最小。然而如果输入信号具备超过体系带宽的显著高的频率成分，那么sin(x)/x滤波技术的问题之一是对重建的波形可能会呈现软件生成的下冲和过冲，这种影响在实质上是一种Gibbs现象。软件天生的过冲通常暗藏在实际输入信号中固有的过冲及示波器的硬件滤波技术所发生的过冲中。因为下冲通常在信号中实际并不存在，因此示波器用户通常会猜忌sin(x)/x滤波技术的有效性。但在测量带外信号时，与未校正的硬件导致的误差比拟，软件导致的误差(如下冲)可能只是小巫见大巫。 记住，测量带外信号象征着您正在试图捕获频率成分超过示波器指定带宽功效的信号，因此测得结果中可能包含因为硬件限制导致的明显误差成分。例如，如果您试图测量边沿速率为20 ps (10% - 90%)的输入信号，6 GHz示波器会产生70 ps左右的测量结果(10% - 90%)， 250%的测量误差。尽管软件滤波产生的下冲和过冲可能会捣乱视觉，但与硬件导致的过冲及常常被疏忽的边沿速率测量误差相比，这些现象只是很小的误差起源。 为下降软件导致的下冲，示波器设计职员可以采用sin(x)/x 内插滤波技术，而不校正采集的带外波形的相位，结果是滤波后的波形有很大的过冲和很小的下冲时，只管这感到可能比拟舒畅，但幅度测量和边沿速率测量的精度会恶化。因而，就快捷回升沿和降落沿的测量而言，使用线性相位校订的DSP滤波技术的测量结果最为精确。(本文后面将更具体地探讨相位校正滤波技术。) 最好的方式是努力疏忽下冲景象，把疾速边缘脉冲开端前的这种“摆动”看作实时示波器采取准确DSP滤波器的一种标志，这种技术能够最准确地表现带外信号的整体特色。也可以把下冲信号看成一种标记，表明您应当应用更高带宽的实时示波器，或者使用高带宽取样示波器，如Agilent 86100C。假如不可能进行反复取样，而且适合的高带宽实时示波器尚未面世，那么你可能必须接收，实时丈量成果是当前实时取样跟滤波技巧所能实现的最好结果。 如前所述，sin(x)/x DSP滤波会明显改善测量辨别率和精度，使其远远高于实时取样距离 (1/取样速率)。通过安捷伦20 GSa/s 54855A示波器，在单次采集中使用sin(x)/x滤波时，增量时光测量精度可以改良到+/-7 ps (峰值)。在某些情况下，使用sin(x)/x滤波技术会影响吞吐量，换句话说，滤波器导致示波器显示屏更新速度太慢。但是，由于使用sin(x)/x滤波可以增强精度，因此所有缺陷显得都不那么主要。 目前，所有重要实时示波器厂商都容许用户决议是否使用sin(x)/x滤波技术。这种工作模式是安捷伦示波器是一种默认选项，但用户可以取舍其它选项。 幅度平坦滤波技术 幅度平坦滤波用来校正示波器硬件中的非平坦频响。在理想情况下，示波器应占有完美的平坦硬件响应，直到示波器的天然带宽滚降点，如图2中的曲线所示。这意味着如果您测量幅度不变、但频率变化的正弦波，应一直测量雷同的幅度，直到接近滚降频点。遗憾的是，在接近示波器的带宽极限时，频率响应的平坦度趋于恶化。通常情况下，硬件自身会导致的信号在某些频点上衰减，某些频点上则出现幅值放大。事实上，示波器设计工程师通常会在示波器硬件中的带宽极限邻近成心引入幅值放大，以弥补频率相关的幅值衰减，把示波器推到更高的带宽频响上。 图3: 幅度平坦滤波器响应 图3中的红色曲线(顶部)显示了Agilent 54855A实时6 GHz示波器的典范硬件频响。可以看到，这一示波器的硬件响应满意了6 GHz的–3dB硬件模仿带宽尺度，但响应还在大概3.5 GHz上显示了约+1dB的峰值，在大约5.5 GHz上显示了接近+2dB的峰值。当前没有示波器制作商指定示波器频响的平坦度。示波器指定的独一频域指标是–3dB带宽点。即便示波器拥有+6dB的峰值，这在某些带内频率上相称于60%的幅度误差，只有–3dB点高于指定带宽，那么示波器就会被视为合乎标准。但与较高频率的衰减会恶化测量精度一样，幅度放大也会恶化测量精度。 图3中的蓝色曲线(底部)显示了使用幅度平坦滤波技术时54855A校正后的幅度频响。通过这种DSP/软件滤波器，在接近6 GHz带宽前，示波器的校正频响偏差普通会低于+/- 0.5dB，该FIR滤波器是始终存在的，不可已被去掉，示波器在以最大取样速率取样时，它一直在起作用，以校正硬件滤波误差。软件滤波器和硬件滤波器相联合，测量精度要高于单纯硬件滤波器产生的测量精度。 相位校正滤波技术 高速数字信号由多个频率成分组成，包括基波和谐波。在理想情况下，数字信号的基波协调波是严格同相的，各频率成分之间没有相差或时延，如图4所示。遗憾的是，示波器的硬件在高速信号的高阶成分中引入了相移，只能通过大幅提高仪器模拟带宽或使用相位校正DSP滤波技术来打消这种影响。图5显示了五次谐波(绿色曲线)绝对 |