專利名稱：一種數(shù)字示波器帶寬增強方法
技術領域：
本發(fā)明屬于數(shù)字示波器技術領域，更為具體地講，涉及一種數(shù)字示波器帶寬增強方法。
背景技術：
在通訊、數(shù)據(jù)存儲技術等領域中，高速、復雜信號的變化，對數(shù)字示波器的采集能力提出了更高的要求。而數(shù)字示波器對高速、復雜信號的采集依賴于高帶寬、高采樣率，還原度依賴于數(shù)字示波器采集通道的頻率響應。受器件離散性和工藝的限制，隨著數(shù)字示波器帶寬的增高，在硬件部分保持良好的幅頻響應和相頻響應越來越困難，導致了數(shù)字示波器測量帶寬的下降。雖然峰值網(wǎng)絡能有效的提高數(shù)字示波器帶寬，但信號還原代價高，尤其是在脈沖響應以及頻響的平坦度的測試中。同時系統(tǒng)噪聲、頻域響應、時域響應三者是相互制約的，提高系統(tǒng)帶寬，會對輸入信號引入噪聲；過度的頻域補償也會對時域信號引入過沖或阻尼。從模擬角度修正示波器帶寬，會導致三者的關系進一步惡化。因此，在硬件受限的前提下，研究一種數(shù)字帶寬增強方法勢在必行。數(shù)字帶寬增強方法使用數(shù)字濾波器對數(shù)字示波器采集后的序列進行信號處理，對通道響應進行校正，提高信號的保真度，等效于增強了采集系統(tǒng)的測量帶寬。數(shù)字濾波器可以理解為一個計算或算法，將輸入數(shù)字時間序列信號轉(zhuǎn)換為輸出數(shù)字時間序列信號，并在轉(zhuǎn)換過程中，使信號按預定的形式變化。1、數(shù)字帶寬增強基本原理數(shù)字示波器對信號的還原能力取決于采集通道的脈沖響應方式，表征了數(shù)字示波器對輸入激勵不同頻率成份的幅度和相位的表現(xiàn)，對應于數(shù)字示波器的幅頻響應和相頻響應。1. 1、數(shù)字示波器的幅頻特性在幅度響應方面，由于采集系統(tǒng)前端模擬調(diào)理部分以及ADC器件呈現(xiàn)出低通濾波特性，對輸入信號的不同頻率成份的通過能力不一致，高頻分量的幅度衰減率要大于低頻分量衰減率，呈滾降趨勢，尤其對高于_3dB帶寬的頻譜成份更是表現(xiàn)出急劇滾降特征。目前業(yè)內(nèi)主流高性能示波器主要有兩種響應類型，分別是平坦化響應(Flat Response)和高斯響應Gaussian Response)，

圖1所示為IGHz帶寬示波器幅頻響應。如圖1所示，平坦化響應有兩大優(yōu)點。一是信號在_3dB帶寬之前的幅頻響應較為平坦，衰減較小，可進行非常精確的測量。第二是超過_3dB帶寬后，頻響曲線急劇下降，高頻成份被有效截止，通過的低頻成分都能被后端ADC高保真采樣，降低了波形失真度。平坦化響應示波器盡管有這些突出的優(yōu)點，但也有非常顯著的缺點由于平坦響應截止了大量的高頻諧波，因而表現(xiàn)出比較大的過沖和振鈴現(xiàn)象，尤其是在信號上升時間很快，遠遠超過示波器可精確測量范圍時，這種負面效應更為突出。高斯響應對超過_3dB帶寬的高頻成分衰減速率相對較慢，因而表現(xiàn)出較小過沖和振鈴的較好脈沖效應。但由于在_3dB帶寬內(nèi)對信號幅度響應相對來說不是很平坦，而且在_3dB帶寬外會拖出一條較長的尾巴，這樣使得后面的ADC需要更高的采樣率才能確保不發(fā)生頻率混疊現(xiàn)象。1.2、示波器的相頻特性除了幅度響應外，另外一個緊密相連概念是相位頻響。信號從數(shù)字示波器前端輸入傳遞到屏幕顯示之間，有很多模擬放大器構成一個放大器鏈，信號通過這些模擬器件需要一定的時間，或稱為相位延遲。不同頻譜的信號在通過示波器內(nèi)部通道時會產(chǎn)生不同的延遲，因而方波脈沖的不同諧波頻譜的不同傳播延遲會導致脈沖相位發(fā)生畸變，這種負面效應稱為群延遲。對于較低頻率信號，群延遲的破壞性效應可以忽略不計，隨著頻率越高， 這種負面效應是不可逃避的問題。群延遲會使示波器的實際上升時間比標稱值更慢，而且會帶來更大的抖動噪底。1.3、數(shù)字帶寬增強在信號高頻段，模擬采集通道中高頻繼電器電阻網(wǎng)絡、運算放大器、可變增益調(diào)節(jié)模塊以及ADC模塊中各個環(huán)節(jié)的增益難免會有一定的衰減，均會對通道響應產(chǎn)生影響，最終響應是各個環(huán)節(jié)頻率響應的疊加。同時隨環(huán)境參數(shù)、老化等因素的影響，通道響應也會發(fā)生改變，因此需要根據(jù)實際的系統(tǒng)通道頻域響應實現(xiàn)對頻率響應的有效補償，保證對信號的無失真還原。數(shù)字帶寬增強是一種在保持硬件不變的前提下，運用數(shù)字后處理技術，以數(shù)字帶寬增強濾波器增強采集系統(tǒng)測量帶寬的方法，以提高采集系統(tǒng)的信號還原性。圖2是數(shù)字帶寬增強濾波器設計的基本原理框圖。首先，數(shù)字帶寬增強濾波器是根據(jù)實際的系統(tǒng)通道頻率響應進行補償?shù)?，保證對信號的無失真還原。需要注意的是，各通道響應不但與實際通道器件參數(shù)有關，還與通道衰減檔位的設置以及系統(tǒng)環(huán)境有關，因此，首先需要測定各條件下采集系統(tǒng)的通道頻率響應， 針對不同的通道頻率響應進行帶寬增強濾波器的設計。其次，因數(shù)字示波器不同的響應方式會產(chǎn)生不同特征的被測階躍脈沖波形，因此在設計中需要根據(jù)測試需求選擇適合的目標響應類型，例如平坦化響應、貝塞爾響應 (Bessel Response)或高斯響應等，并將此頻域指標作為目標頻率響應。2、現(xiàn)有技術的數(shù)字帶寬增強方法在2005年08月03日公布、公開號為CN165(^94A、名稱為“數(shù)字頻率響應補償器及任意響應發(fā)生器系統(tǒng)”的中國發(fā)明專利申請公布文本中公開了一種用數(shù)字帶寬增強濾波器增強數(shù)字示波器帶寬的方法，通過獲取輸入波形的通道頻率響應特性，設計一補償濾波器，根據(jù)通道響應特性的倒數(shù)而生成該補償濾波器的系數(shù)。然后在補償濾波器后設計一響應濾波器，其頻率響應與期望的頻率響應，即目標頻率響應相同，對補償后的波形數(shù)據(jù)進行第二次濾波，實現(xiàn)輸入通道的期望的頻率響應，這樣就可以使數(shù)字示波器的帶寬得到增強。 在該發(fā)明專利申請中，補償濾波器和響應濾波器合在一起，相當于數(shù)字帶寬增強濾波器。但是，該數(shù)字示波器帶寬增強方法中需要兩個濾波器，即補償濾波器和相應濾波器，結(jié)構比較復雜
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種結(jié)構簡單的數(shù)字示波器帶寬增強方法。為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明數(shù)字示波器帶寬增強方法，其特征在于，包括以下步驟(1)、對數(shù)字示波器各個條件下的通道響應進行測試，獲得實際通道頻率響應函數(shù) Ht(eJ")；O)、根據(jù)實際測試需要，選取合適的通道頻率響應函數(shù)作為目標頻率響應函數(shù) Hr(eJ")；(3)、根據(jù)實際通道頻率響應函數(shù)Ht (eJ")、目標頻率響應函數(shù)Hr (eJ")獲得數(shù)字帶寬增強濾波器的期望頻率響應函數(shù)Hd
權利要求
1.一種數(shù)字示波器帶寬增強方法，其特征在于，包括以下步驟(1)、對數(shù)字示波器各個條件下的通道響應進行測試，獲得實際通道頻率響應函數(shù) Ht(eJ")；O)、根據(jù)實際測試需要，選取合適的通道頻率響應函數(shù)作為目標頻率響應函數(shù) Hr(eJ")；(3)、根據(jù)實際通道頻率響應函數(shù)Ht (eJ")、目標頻率響應函數(shù)獲得數(shù)字帶寬增強濾波器的期望頻率響應函數(shù)Hd
2.根據(jù)權利要求1所述的數(shù)字示波器帶寬增強方法，其特征在于，所述的目標頻率響應函數(shù)的相位響應是線性的。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種數(shù)字示波器帶寬增強方法，通過實際頻率響應函數(shù)、選取的目標頻率響應函數(shù)計算出數(shù)字帶寬增強濾波器的期望頻率響應函數(shù)。根據(jù)期望頻率響應函數(shù)獲得FIR數(shù)字濾波器初始系數(shù)，然后得到FIR濾波器頻率響應函數(shù)，并計算性能函數(shù)，如果在通帶
內(nèi)，性能函數(shù)大于設定的最小值，則對性能函數(shù)求偏導，重新計算FIR濾波器的系數(shù)、頻率響應函數(shù)以及誤差函數(shù)、性能函數(shù)并判斷，直到性能函數(shù)J小于設定的最小值Jmin，用得到的第i次迭代獲取的FIR濾波器的系數(shù)h(i)(n)構造FIR濾波器作為數(shù)字帶寬增強濾波器，這樣用一個FIR濾波器就實現(xiàn)了現(xiàn)有技術的數(shù)字帶寬增強濾波器的功能，結(jié)構比較簡單。
文檔編號G01R13/02GK102435807SQ20111030497
公開日2012年5月2日 申請日期2011年10月10日 優(yōu)先權日2011年10月10日
發(fā)明者葉芃, 曾浩, 潘卉青, 田書林, 邱渡裕 申請人:電子科技大學