DSP把示波器性能帶入新水平

        鑒于這些實(shí)際情況，怎樣才能把示波器性能提升到全新水平呢？怎樣才能支持下一代技術(shù)進(jìn)步呢？

        進(jìn)入 DSP

        答案是數(shù)字信號(hào)處理技術(shù) (DSP) 。實(shí)踐證明，使用 DSP 可以擴(kuò)展、事實(shí)上是可以增強(qiáng)原始模擬帶寬。

        DSP 是一門(mén)古老的學(xué)科。它采用 sin x/x 內(nèi)插形式，出現(xiàn)在每臺(tái)現(xiàn)代數(shù)字實(shí)時(shí)示波器中?，F(xiàn)在， DSP 已經(jīng)成為把示波器帶寬擴(kuò)展到當(dāng)前模擬極限之上、改善整體測(cè)量精度的激活工具。

        當(dāng)前示波器市場(chǎng)頂層包括一系列模型，提供了幾千赫茲的帶寬。帶寬為 6 GHz 和 8 GHz 的儀器正在進(jìn)入工程設(shè)計(jì)部門(mén)和研發(fā)實(shí)驗(yàn)室，更高的帶寬很快也將出現(xiàn)。幾乎所有這些超高帶寬工具都依賴(lài)某種形式的基于 DSP 的頻率擴(kuò)展技術(shù)，實(shí)現(xiàn)額定的性能。

        DSP 有什么作用

        某些示波器專(zhuān)門(mén)使用 DSP 擴(kuò)展帶寬，而帶寬則是任何示波器公認(rèn)的指標(biāo)。在最簡(jiǎn)單的形式中， DSP 創(chuàng)建濾波功能，抵消指定頻率范圍頂端的滾降。為了解這一概念，我們將依次簡(jiǎn)要回顧基礎(chǔ)知識(shí)。

        在理想情況下，示波器會(huì)在大多數(shù)指定帶寬 ( 從 DC 開(kāi)始 ) 中表現(xiàn)出相當(dāng)平滑均勻的模擬頻響特點(diǎn)，然后在接近頻率上限時(shí)逐漸滾降。因此，帶寬定義為頻響幅度相對(duì)于 DC 幅度降低 3 dB 的頻率。業(yè)內(nèi)把它速記為“ 3 dB 點(diǎn)”。

        圖 1 是具有 4 GHz 實(shí)際模擬帶寬的 DSO 的一對(duì)頻響圖。藍(lán)色虛線定義了教科書(shū)中完美的帶寬包絡(luò)，紅線則接近實(shí)際環(huán)境中的示波器頻響曲線。

        圖 1: 模擬帶寬為 4 GHz 的示波器的頻響曲線

        在每個(gè)地方，紅線都偏離理想包絡(luò)，偏差成為測(cè)量的一部分。例如， 1 GHz 和 2 GHz 之間的下降意味著在該頻段內(nèi)，測(cè)得的信號(hào)在顯示屏上將顯示得略小于實(shí)際幅度。為獲得最佳的信號(hào)保真度，使這些偏差達(dá)到最小至關(guān)重要。

        現(xiàn)在考慮一下 圖 2 。這是同一部示波器的 DSP 擴(kuò)展后的頻響曲線，現(xiàn)在作為 5 GHz 示波器提供。 3 dB 點(diǎn)實(shí)際上位于 5 GHz ，注意頻率軸已經(jīng)重新定標(biāo)。 4 GHz 邊界以外發(fā)生的情況在很大程度上依賴(lài) DSP 實(shí)現(xiàn)技術(shù)的質(zhì)量。

        圖 2: DSP 把 4 Ghz 頻響擴(kuò)展到 5 GHz.

        DSP 頻率擴(kuò)展采用濾波的形式。每個(gè)工程師都知道，濾波器會(huì)引入相位位移及自己的非線性度。它采用非常靈敏的濾波器設(shè)計(jì)，產(chǎn)生可用的帶寬擴(kuò)展，同時(shí)最大限度地降低范圍極限和其它地方的幅度畸變，并控制相位位移和失真。由于具有明顯的優(yōu)勢(shì)， DSP 影響著測(cè)量結(jié)果。示波器開(kāi)發(fā)人員面臨的挑戰(zhàn)是，保證 DSP 在廣泛的應(yīng)用中提供積極的優(yōu)勢(shì)，而消除不想要的負(fù)面效應(yīng)。

        FIR 和 DSP

        很明顯，設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的、經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的濾波器結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)示波器中的帶寬至關(guān)重要。正因如此，當(dāng)前某些領(lǐng)先的高帶寬 示波器 采用有限脈沖響應(yīng) (FIR) 濾波方案。與數(shù)字通信設(shè)備及其它地方常用的無(wú)限脈沖響應(yīng)濾波器 (IIR) 不同， FIR 濾波器具有穩(wěn)定性保障，可以提供完美的線性相位響應(yīng)。此外， FIR 濾波器最適合根據(jù)需要，在示波器通道整個(gè)帶寬上使用相位和幅度平衡。 FIR 濾波器已經(jīng)進(jìn)行調(diào)諧，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的階躍響應(yīng)。每個(gè)制造商會(huì)使用專(zhuān)有的精確轉(zhuǎn)函，但其通常基于改進(jìn)的高斯算法。