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在示波器上使用DSP濾波技術(shù)的優(yōu)點和缺點 |
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當(dāng)前所有高速實時數(shù)字示波器都采用了各種形式的數(shù)字信號處理技術(shù)(DSP)。某些工程師擔(dān)心使用軟件對采集來的數(shù)據(jù)波形濾波可能會與實際的信號有出入。但是，示波器捕獲的原始波形未必表示的是實際輸入信號，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，實時示波器擁有無限快的采樣速率、完美的平坦頻響、線性相位響應(yīng)、沒有底噪聲及帶寬高。但在實際環(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，改善測量精度，增強(qiáng)顯示質(zhì)量。
當(dāng)前性能較高的實時示波器中常用的DSP濾波技術(shù)有以下五種：
每種濾波器特點都可以在用有限脈沖響應(yīng)(FIR)軟件濾波器實現(xiàn)。本文介紹了不同DSP濾波器的用途，以及相關(guān)的優(yōu)點和缺點。本文沒有提供實現(xiàn)各種DSP濾波器的實際軟件有關(guān)的信息。
用于波形重建的DSP濾波技術(shù)
波形重建濾波用來在兩個實際數(shù)據(jù)采樣點之間“插入”數(shù)學(xué)運算點。插入的數(shù)據(jù)點可提高較快時基下的波形測量精度和使波形更接近真實。等效/重復(fù)采樣，也是一種透過插入點的方法實現(xiàn)的波形重建技術(shù)，但它的應(yīng)用場合有限，僅對嚴(yán)格重復(fù)的波形有效；對信號實時變化的應(yīng)用場合，不能使用等效采樣。必須在一次采集完成一個完整的波形捕獲，因此只能選擇軟件的方法重建波形。
圖1:線性內(nèi)差 與 正弦內(nèi)差
最簡單的波形重建，采用線性插補濾波器。盡管這類濾波器將改善測量分辨率、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)，這是一種對稱濾波器。圖1是使用線性內(nèi)差 (頂部的藍(lán)色曲線)和sin(x)/x 內(nèi)差 (底部的黃色曲線)的3GHz正弦波實例。通過線性內(nèi)差，我們可以清楚地看到這一使用20 G 樣點每秒采樣的示波器，得到的樣點間隔為50 ps。
Sin(x)/x內(nèi)插濾波雖然是更精確地表示輸入信號的方法，但有一些問題要注意。首先，為使sin(x)/x 內(nèi)插濾波絕對精確，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硬件實現(xiàn)的。圖2中的紅色曲線(頂部)表示磚墻濾波器的特點，Nyquist頻率以下的所有頻率成分都完全通過，Nyquist頻率之上的所有頻率成分都完全被濾掉。
圖2: 各種硬件濾波器的頻率響應(yīng)
過去，帶寬較低的示波器一般具有高斯類型的滾降特點，如圖2中的綠色曲線(底部)所示。如果您使用這種高斯類型的低速滾降濾波器處理速度非常快的信號，由于高于–3dB帶寬的信號很多，超過Nyquist頻率之上的頻率成分(在本圖中用陰影區(qū)域表示)會出現(xiàn)混疊現(xiàn)象。如果被測對象基波頻率接近或超過Nyquist頻率，混疊會使得顯示的周期性波形看上去會像沒有觸發(fā)一樣，波形的測量誤差會呈幾何級數(shù)增長。在輸入信號的基波頻率低于Nyquist頻率，但信號諧波高于Nyquist頻率時，您可能會在示波器顯示屏上看到邊沿“搖擺”的波形。為此，安捷倫在傳統(tǒng)上一直把具有高斯?jié)L降特點、帶寬較低的實時示波器的帶寬限定為取樣速率的¼，也就是Nyquist頻率的½ ，目的是濾除高于Nyquist的諧波成分。
對某些帶寬在2 GHz - 6 GHz之間的帶寬較高的實時示波器，硬件滾降特點開始接近理論磚墻濾波器。在大多數(shù)示波器測量中，這是一種希望實現(xiàn)的特點。這類硬件濾波器稱為高階最大平坦濾波器，如圖2中的藍(lán)色曲線(中間)所示。通過這類硬件濾波器，大多數(shù)帶內(nèi)頻率以最小衰減傳送，而大多數(shù)帶外頻率則被明顯衰減。在高階最大平坦響應(yīng)時，示波器帶寬開始接近Nyquist極限。安捷倫建議對具有高階最大平坦響應(yīng)的示波器，示波器帶寬應(yīng)限定在不大于取樣速率的0.4倍。換句話說，為保證使用sin(x)/x濾波的波形重建技術(shù)的有效性和精確性，以20 GSa/s速率取樣的示波器的帶寬不得超過8 GHz。
在示波器中采用sin(x)/x 軟件內(nèi)插濾波器有什么缺點呢？如果輸入信號在前期有頻段限制，或如果示波器的硬件適當(dāng)?shù)叵拗屏薔yquist頻率之上的取樣頻率成分，那么其問題可以降到最小。但是如果輸入信號具有超過系統(tǒng)帶寬的明顯高的頻率成分，那么sin(x)/x濾波技術(shù)的問題之一是對重建的波形可能會出現(xiàn)軟件生成的下沖和過沖，這種影響在本質(zhì)上是一種Gibbs現(xiàn)象。軟件生成的過沖通常隱藏在實際輸入信號中固有的過沖及示波器的硬件濾波技術(shù)所產(chǎn)生的過沖中。由于下沖通常在信號中實際并不存在，因此示波器用戶通常會懷疑sin(x)/x濾波技術(shù)的有效性。但在測量帶外信號時，與未校正的硬件導(dǎo)致的誤差相比，軟件導(dǎo)致的誤差(如下沖)可能只是小巫見大巫。
記住，測量帶外信號意味著您正在試圖捕獲頻率成分超過示波器指定帶寬功能的信號，因此測得結(jié)果中可能包括由于硬件限制導(dǎo)致的明顯誤差成分。例如，如果您試圖測量邊沿速率為20 ps (10% - 90%)的輸入信號，6 GHz示波器會產(chǎn)生70 ps左右的測量結(jié)果(10% - 90%)， 250%的測量誤差。盡管軟件濾波產(chǎn)生的下沖和過沖可能會擾亂視覺，但與硬件導(dǎo)致的過沖及經(jīng)常被忽視的邊沿速率測量誤差相比，這些現(xiàn)象只是很小的誤差來源。
為降低軟件導(dǎo)致的下沖，示波器設(shè)計人員可以采用sin(x)/x 內(nèi)插濾波技術(shù)，而不校正采集的帶外波形的相位，結(jié)果是濾波后的波形有很大的過沖和很小的下沖時，盡管這感覺可能比較舒服，但幅度測量和邊沿速率測量的精度會惡化。因此，就快速上升沿和下降沿的測量而言，使用線性相位校正的DSP濾波技術(shù)的測量結(jié)果最為精確。(本文后面將更詳細(xì)地討論相位校正濾波技術(shù)。)
最好的方法是盡力忽略下沖現(xiàn)象，把快速邊沿脈沖開始前的這種“擺動”看作實時示波器采用正確DSP濾波器的一種標(biāo)志，這種技術(shù)可以最精確地表示帶外信號的整體特點。也可以把下沖信號看成一種標(biāo)志，表明您應(yīng)該使用更高帶寬的實時示波器，或者使用高帶寬取樣示波器，如Agilent 86100C。如果不可能進(jìn)行重復(fù)取樣，而且合適的高帶寬實時示波器尚未面世，那么您可能必需接受，實時測量結(jié)果是當(dāng)前實時取樣和濾波技術(shù)所能實現(xiàn)的最好結(jié)果。
如前所述，sin(x)/x DSP濾波會明顯改善測量分辨率和精度，使其遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于實時取樣間隔 (1/取樣速率)。通過安捷倫20 GSa/s 54855A示波器，在單次采集中使用sin(x)/x濾波時，增量時間測量精度可以改進(jìn)到+/-7 ps (峰值)。在某些情況下，使用sin(x)/x濾波技術(shù)會影響吞吐量，換句話說，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，因此所有缺點顯得都不那么重要。
目前，所有主要實時示波器廠商都允許用戶決定是否使用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，但用戶可以選擇其它選項。
幅度平坦濾波技術(shù)
幅度平坦濾波用來校正示波器硬件中的非平坦頻響。在理想情況下，示波器應(yīng)擁有完美的平坦硬件響應(yīng)，直到示波器的自然帶寬滾降點，如圖2中的曲線所示。這意味著如果您測量幅度不變、但頻率變化的正弦波，應(yīng)一直測量相同的幅度，直到接近滾降頻點。遺憾的是，在接近示波器的帶寬極限時，頻率響應(yīng)的平坦度趨于惡化。通常情況下，硬件本身會導(dǎo)致的信號在某些頻點上衰減，某些頻點上則出現(xiàn)幅值放大。事實上，示波器設(shè)計工程師通常會在示波器硬件中的帶寬極限附近故意引入幅值放大，以補償頻率相關(guān)的幅值衰減，把示波器推到更高的帶寬頻響上。
圖3: 幅度平坦濾波器響應(yīng)
圖3中的紅色曲線(頂部)顯示了Agilent 54855A實時6 GHz示波器的典型硬件頻響�？梢钥吹�，這一示波器的硬件響應(yīng)滿足了6 GHz的–3dB硬件模擬帶寬標(biāo)準(zhǔn)，但響應(yīng)還在大約3.5 GHz上顯示了約+1dB的峰值，在大約5.5 GHz上顯示了接近+2dB的峰值。當(dāng)前沒有示波器制造商指定示波器頻響的平坦度。示波器指定的唯一頻域指標(biāo)是–3dB帶寬點。即使示波器擁有+6dB的峰值，這在某些帶內(nèi)頻率上相當(dāng)于60%的幅度誤差，只要–3dB點高于指定帶寬，那么示波器就會被視為符合規(guī)范。但與較高頻率的衰減會惡化測量精度一樣，幅度放大也會惡化測量精度。
圖3中的藍(lán)色曲線(底部)顯示了使用幅度平坦濾波技術(shù)時54855A校正后的幅度頻響。通過這種DSP/軟件濾波器，在接近6 GHz帶寬前，示波器的校正頻響偏差一般會低于+/- 0.5dB，該FIR濾波器是始終存在的，不可已被去掉，示波器在以最大取樣速率取樣時，它一直在起作用，以校正硬件濾波誤差。軟件濾波器和硬件濾波器相結(jié)合，測量精度要高于單純硬件濾波器產(chǎn)生的測量精度。
相位校正濾波技術(shù)
高速數(shù)字信號由多個頻率成分組成，包括基波和諧波。在理想情況下，數(shù)字信號的基波和諧波是嚴(yán)格同相的，各頻率成分之間沒有相差或時延，如圖4所示。遺憾的是，示波器的硬件在高速信號的高階成分中引入了相移，只能通過大幅提高儀器模擬帶寬或使用相位校正DSP濾波技術(shù)來消除這種影響。圖5顯示了五次諧波(綠色曲線)相對基波和三次諧波有時延的實例。結(jié)果是在示波器顯示屏上出現(xiàn)失真的波形顯示。如果沒有相位校正技術(shù)，這種失真通常會在波形顯示中表現(xiàn)為過高的過沖，同時邊沿速率會下降。高速數(shù)字設(shè)計人員通常會忽視失真的過沖成分，認(rèn)為測得的過沖實際上出現(xiàn)在測得的輸入信號上。但事實可能并非如此，實際可能是硬件能力不夠而導(dǎo)致的測量誤差。
圖4: 同相諧波 圖5: 延遲的第5個諧波
圖6中的紅色曲線顯示了54855A硬件在較高輸入頻率上導(dǎo)致的典型頻率相關(guān)相位誤差。本圖中的藍(lán)色曲線顯示了使用相位校正DSP/軟件濾波技術(shù)得到的校正后的相位響應(yīng)�？梢钥闯觯@個軟件濾波器把相位誤差校正到遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過儀器的帶寬指標(biāo)。
圖6: 校正的和沒有校正的相位響應(yīng)
圖7是對基于高階最大平坦響應(yīng)的6GHz硬件系統(tǒng)，使用相位校正和沒有使用相位時校正的快速邊沿信號的仿真圖。在相位校正波形(左邊/紅色曲線)中可以注意到波形上存在下沖和過沖，而這些下沖和過沖實際上并不存在，該測量結(jié)果表明被測信號超過示波器–3dB帶寬頻點，而且該示波器采用了線性相位系統(tǒng)響應(yīng)。右邊的藍(lán)色波形是沒有相位校正的示波器測量的結(jié)果，可以看出，雖然沒有下沖，但其上沖卻非常高。相位校正波形(左邊/紅色曲線)中，頂部和底部的過沖誤差得到整體改善。而且最重要的是，使用相位校正技術(shù)，對帶內(nèi)信號或帶外信號的定時測量，如上升時間和下降時間的精度要高得多。在Agilent 54855A示波器中，該相位校正濾波器是不可以被去掉的，以保證對硬件相位誤差進(jìn)行校正。
圖7: 使用相位校正及沒有使用相位校正時的脈沖響應(yīng)
減噪濾波技術(shù)
正如您所預(yù)期的那樣，減噪濾波技術(shù)會降低示波器本底噪聲的影響。示波器是寬帶儀器，帶寬越高，本底噪聲越高。這種硬件導(dǎo)致的誤差在寬帶儀器中是不可避免的。通過Agilent 54855A示波器，您可以選擇減噪濾波器，改善測量精度，它是通過在很寬的范圍內(nèi)設(shè)置帶寬限制來實現(xiàn)的。
圖8是在沒有使用減噪濾波技術(shù)時，使用6-GHz帶寬54855A示波器捕獲1 GHz正弦波的實例。通過使用無限余輝顯示模式，在累積采集1000次以后，我們在這個捕獲的正弦波上看到示波器的硬件本底噪聲導(dǎo)致的噪聲，大約2.8 mV RMS。上面/黃色曲線是100mV/格時放大到接近滿量程的輸入信號。下面/綠色曲線顯示了對波形峰值部分進(jìn)行放大10倍后顯示。
圖9顯示了相同的1 GHz正弦波，但現(xiàn)在是使用2 GHz帶寬減噪濾波器。在累積采集1000次以后，我們看到由于系統(tǒng)本底噪聲降低了近一半。這里，上方/黃色曲線仍顯示了100 mV/格時放大的輸入信號，下方/黃色曲線顯示了對波形峰值部分進(jìn)行放大10倍后顯示，因此我們可以更清楚地看到使用減噪濾波技術(shù)后，示波器本底噪聲大幅下降。
在測試帶寬較低的信號或邊沿速率相對較慢的信號時，采用減噪濾波技術(shù)通常會增強(qiáng)幅度測量和時間相關(guān)測量的精度。如在測量抖動時，抖動測量誤差成分中最大、但經(jīng)常被忽視的是垂直噪聲導(dǎo)致的抖動/定時誤差。垂直噪聲和時間相關(guān)測量誤差之間具有直接關(guān)系，是信號斜率(slew rate)的函數(shù)。盡管難以很直觀地解釋這一技術(shù)，但確實在測量帶內(nèi)信號時，降低測量系統(tǒng)帶寬實際上會改善抖動測量的精度。啟動減噪濾波會自動降低儀器本底噪聲導(dǎo)致的抖動。由于提升帶寬與降低本底噪聲相矛盾，在Agilent 54855A 示波器中，我們讓用戶可以選擇是否使用減噪濾波。
圖8: 未采用降噪濾波器，測得的本底噪聲為2.8 mV RMS 圖9:降噪濾波器參數(shù)設(shè)置為2 GHz，測得的本底噪聲為1.6 mV RMS
帶寬增強(qiáng)濾波技術(shù)
帶寬增強(qiáng)濾波技術(shù)有時也稱為“帶寬提升技術(shù)”，可能是最不直觀的DSP濾波技術(shù)。目前某些高帶寬實時示波器中采用了這種技術(shù)。一旦硬件已經(jīng)衰減信號，怎樣才能增強(qiáng)系統(tǒng)的帶寬呢？答案很簡單，使用軟件把信號放大。一旦把數(shù)字化信號分成各種正弦波頻率成分，那么可以使用軟件選擇性地“放大”個別頻率成分，把衰減的頻率成分，用軟件濾波方法將示波器–3dB點頻響點提升到更高的頻率，如圖10所示。本圖中的紅色曲線(底部)顯示了典型的硬件頻響。綠色曲線(頂部)表示帶寬增強(qiáng)濾波器，藍(lán)色曲線(中間)表示改進(jìn)的系統(tǒng)帶寬響應(yīng)，可以看到，帶寬已經(jīng)“被提升到”更高的頻率。除提高帶寬外，這種特定濾波器還為示波器生成更陡峭的滾降特點，幫助降低高頻噪聲，在測試帶外輸入信號時幫助消除假信號。
圖10:帶寬增強(qiáng)濾波技術(shù)
這里也有一個很大的缺點。我們已經(jīng)提到，示波器是一種寬帶儀器，儀器的本底噪聲可能會明顯惡化測量結(jié)果。帶寬增強(qiáng)濾波技術(shù)同時也放大了儀器的本底噪聲。因此，在使用示波器FIR DSP濾波器的帶寬增強(qiáng)功能時，會影響信噪比。
盡管帶寬增強(qiáng)濾波技術(shù)在當(dāng)前某些帶寬較高的實時示波器中是一種相當(dāng)新的功能，但這在測試測量業(yè)內(nèi)并不是一種新技術(shù)。多年來，安捷倫一直在網(wǎng)絡(luò)分析儀和頻譜分析儀中使用帶寬增強(qiáng)技術(shù)。事實上，安捷倫在使用20GHz 取樣示波器中，很早就已經(jīng)采用這種技術(shù)，進(jìn)行TDR測量時仿真更快的邊沿速率。這種技術(shù)在當(dāng)前具有TDR測量功能的取樣示波器中稱為“歸一化”。
圖11是使用6GHz 示波器測量帶外信號的實例。輸入信號具有大約50 ps的上升時間 (10% - 90%)。但由于示波器硬件的上升時間指標(biāo)是70 ps，我們的測量結(jié)果為74 ps。通過使用7 GHz帶寬增強(qiáng)濾波技術(shù)，我們現(xiàn)在可以進(jìn)行更精確的測量，測量結(jié)果為66 ps，如圖12所示。但是，可以看到這一波形頂部和底部的基線噪聲已經(jīng)提高。在標(biāo)準(zhǔn)6 GHz帶寬模式下，示波器的本底噪聲在100mV/格設(shè)置時測得的結(jié)果約為3 mV RMS。在使用7 GHz帶寬增強(qiáng)濾波技術(shù)時，本底噪聲提高到大約6 mV RMS。
圖11: 沒有采用帶寬增強(qiáng)技術(shù)時測量的上升時間 圖12:使用7-GHz帶寬增強(qiáng)技術(shù)時測量的上升時間
在Agilent 54855A示波器上使用帶寬增強(qiáng)DSP濾波技術(shù)的另一個優(yōu)點是，可以使用8GHz的有源高阻探頭，以實現(xiàn)高達(dá)7GHz的系統(tǒng)帶寬進(jìn)行測量。
總結(jié)
當(dāng)前許多工程師一般信任硬件濾波技術(shù)，而懷疑DSP濾波技術(shù)，因為后者基于軟件。我們在本應(yīng)用指南中已經(jīng)闡述，在示波器波形上采用DSP濾波的目的是校正硬件濾波誤差。軟件濾波不應(yīng)視為一種不真實的處理方式，而更應(yīng)看作一種數(shù)據(jù)還原方式。重要的是，您要清楚DSP濾波技術(shù)有沒有帶來副作用，若有，有那些。多年來，我們使用軟件校正示波器中的硬件誤差，包括增益/偏置校準(zhǔn)及信道之間的偏移校正時延。還可以使用軟件，校正采用DSP濾波技術(shù)時更加復(fù)雜的與頻率相關(guān)的硬件誤差來源。
本應(yīng)用指南中討論的部分濾波器特點擁有很小的副作用或沒有副作用，如幅度平坦和相位校正濾波技術(shù)。正因如此，在Agilent 54855A示波器以最大取樣速率取樣時(20GSa/s)，用戶不能選擇這些特定的濾波器特點，而是作為默認(rèn)操作方式使用。因為我們相信sin(x)/x 波形重建濾波會改善測量精度和顯示質(zhì)量，因此這一特定的濾波器特點也作為示波器的默認(rèn)工作模式使用，但用戶可以簡便地禁止這種功能。使用sin(x)/x濾波的主要副作用是降低示波器響應(yīng)速率。
示波器 FIR DSP濾波器的其它特點(包括減噪和帶寬增強(qiáng)濾波)對帶寬和本底噪聲的影響非常明顯。正因如此，這兩種濾波器特點都沒有作為默認(rèn)的示波器工作模式，用戶必須啟動這些功能才能使用。
一旦了解了某些濾波類型中固有的問題，那么您就可以放心使用DSP濾波技術(shù)，改善實時示波器的精度和分辨率，并清楚何時應(yīng)避免使用DSP濾波技術(shù)
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