高性能數(shù)字存儲示波器的防混淆問題

圖1一個(gè)5.5GHz信號分別由20GS/s和10GS/s捕捉的波形。
下邊由放大波形顯示信號的細(xì)節(jié)，右邊是測量的頻率參數(shù)。

圖2圖中三條曲線表示取樣率隨20GS/s數(shù)字化器在三個(gè)不同時(shí)間/格設(shè)置的變化。第一條的存儲器是250K樣本，第二條是1M樣本，第三條是100M樣本。

2002年力科、泰克、安捷倫三個(gè)公司分別推出使實(shí)時(shí)示波器的帶寬擴(kuò)展到6GHz的三種數(shù)字示波器。三種儀器都具有高達(dá)20GS/s的取樣率，工程師在他們的電路除錯(cuò)手段中獲得了前所未有的最高性能實(shí)時(shí)示波器。然而，跟所有新工具一樣，重要的是要掌握使用這些工具的最有效方法。值得注意的一點(diǎn)是信號混淆問題，這里既有在觀察中容易出錯(cuò)的新問題，亦有可防止混淆信號分量使數(shù)據(jù)崩潰的新辦法。

信號混淆的基本原理
當(dāng)信號欠取樣時(shí)會產(chǎn)生混淆。特別是，奈奎斯特原理告訴我們，為了儀器能重建正確的信號頻率，數(shù)字取樣系統(tǒng)必須在每個(gè)周期內(nèi)捕捉兩個(gè)以上的樣本。當(dāng)每個(gè)周期捕捉的樣本小于兩個(gè)時(shí)，儀器仍然獲得數(shù)據(jù)，粗心的用戶會認(rèn)為觀察到的信號就是電路的真正信號，而實(shí)際都是“混淆”信號。混淆一詞是指真正信號頻率和實(shí)際信號形狀沒有看見，而且數(shù)字化點(diǎn)顯示出“假”的很容易被錯(cuò)認(rèn)的信號。
用20GS/s取樣率捕捉的5.5GHz信號與用10GS/s捕捉的結(jié)果對比如圖1所示。在第一種情況下，捕捉到正確的信號波形和測量到真正的頻率。在第二種情況下，雖然信號看來很真實(shí)，但它是欠取樣的。測量得的頻率4.5GHz是取樣率（10GS/s）與實(shí)際信號頻率（5.5GHz）之差。
粗心的示波器用戶可能注意到圖1的第二個(gè)示波器屏幕和認(rèn)為實(shí)際信號頻率是4.5GHz，或者假定主要信號是2.5Gbit的通信信號，但是有一些5.5GHz的噪聲出現(xiàn)。用戶可能相信噪聲是4.5GHz和浪費(fèi)時(shí)間在該頻率下尋找噪聲來源。

采用長存儲器防止混淆
一旦混淆信號作為信號采集的一部分被數(shù)字化，就不可能將混淆信號從出現(xiàn)在混淆頻率上的真正信號區(qū)分開。甚至在某一頻率下信號的真正分量就是一個(gè)混淆分量。如何避免混淆問題？最重要的防御辦法是對所用的數(shù)字化儀器有充分了解。圖2示出取樣率隨時(shí)基的變化曲線。雖然數(shù)字化儀的最高取樣率可達(dá)到20GS/s，如果樣本必須延伸到很寬的時(shí)間范圍，則樣本之間的間隔會大于50PS。這意味著信息有損失，超過奈奎斯特極限的信號分量就是混淆信號。
第一級防止混淆的辦法是擁有在盡可能多的時(shí)基下保持高取樣率的存儲系統(tǒng)。容易計(jì)算出出現(xiàn)混淆的時(shí)基。查閱數(shù)字化器的技術(shù)數(shù)據(jù)資料，以及了解在最高取樣率下有多大存儲器可供應(yīng)用。一個(gè)數(shù)字化器的總存儲器可能有32M樣本，但是在最高取樣率下它只能捕捉到最多1M樣本。這相當(dāng)于50μS的信號長度（50PS/樣本