一種數字示波器帶寬增強方法
2023-12-11 17:47:22 2
專利名稱：一種數字示波器帶寬增強方法
技術領域：
本發明屬於數字示波器技術領域，更為具體地講，涉及一種數字示波器帶寬增強方法。
背景技術：
在通訊、數據存儲技術等領域中，高速、複雜信號的變化，對數字示波器的採集能力提出了更高的要求。而數字示波器對高速、複雜信號的採集依賴於高帶寬、高採樣率，還原度依賴於數字示波器採集通道的頻率響應。受器件離散性和工藝的限制，隨著數字示波器帶寬的增高，在硬體部分保持良好的幅頻響應和相頻響應越來越困難，導致了數字示波器測量帶寬的下降。雖然峰值網絡能有效的提高數字示波器帶寬，但信號還原代價高，尤其是在脈衝響應以及頻響的平坦度的測試中。同時系統噪聲、頻域響應、時域響應三者是相互制約的，提高系統帶寬，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衝或阻尼。從模擬角度修正示波器帶寬，會導致三者的關係進一步惡化。因此，在硬體受限的前提下，研究一種數字帶寬增強方法勢在必行。數字帶寬增強方法使用數字濾波器對數字示波器採集後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，等效於增強了採集系統的測量帶寬。數字濾波器可以理解為一個計算或算法，將輸入數字時間序列信號轉換為輸出數字時間序列信號，並在轉換過程中，使信號按預定的形式變化。1、數字帶寬增強基本原理數字示波器對信號的還原能力取決於採集通道的脈衝響應方式，表徵了數字示波器對輸入激勵不同頻率成份的幅度和相位的表現，對應於數字示波器的幅頻響應和相頻響應。1. 1、數字示波器的幅頻特性在幅度響應方面，由於採集系統前端模擬調理部分以及ADC器件呈現出低通濾波特性，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於低頻分量衰減率，呈滾降趨勢，尤其對高於_3dB帶寬的頻譜成份更是表現出急劇滾降特徵。目前業內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帶寬後，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後端ADC高保真採樣，降低了波形失真度。平坦化響應示波器儘管有這些突出的優點，但也有非常顯著的缺點由於平坦響應截止了大量的高頻諧波，因而表現出比較大的過衝和振鈴現象，尤其是在信號上升時間很快，遠遠超過示波器可精確測量範圍時，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，因而表現出較小過衝和振鈴的較好脈衝效應。但由於在_3dB帶寬內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，這樣使得後面的ADC需要更高的採樣率才能確保不發生頻率混疊現象。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部通道時會產生不同的延遲，因而方波脈衝的不同諧波頻譜的不同傳播延遲會導致脈衝相位發生畸變，這種負面效應稱為群延遲。對於較低頻率信號，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、數字帶寬增強在信號高頻段，模擬採集通道中高頻繼電器電阻網絡、運算放大器、可變增益調節模塊以及ADC模塊中各個環節的增益難免會有一定的衰減，均會對通道響應產生影響，最終響應是各個環節頻率響應的疊加。同時隨環境參數、老化等因素的影響，通道響應也會發生改變，因此需要根據實際的系統通道頻域響應實現對頻率響應的有效補償，保證對信號的無失真還原。數字帶寬增強是一種在保持硬體不變的前提下，運用數字後處理技術，以數字帶寬增強濾波器增強採集系統測量帶寬的方法，以提高採集系統的信號還原性。圖2是數字帶寬增強濾波器設計的基本原理框圖。首先，數字帶寬增強濾波器是根據實際的系統通道頻率響應進行補償的，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有關，還與通道衰減檔位的設置以及系統環境有關，因此，首先需要測定各條件下採集系統的通道頻率響應， 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，因數字示波器不同的響應方式會產生不同特徵的被測階躍脈衝波形，因此在設計中需要根據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，並將此頻域指標作為目標頻率響應。2、現有技術的數字帶寬增強方法在2005年08月03日公布、公開號為CN165(^94A、名稱為「數字頻率響應補償器及任意響應發生器系統」的中國發明專利申請公布文本中公開了一種用數字帶寬增強濾波器增強數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，根據通道響應特性的倒數而生成該補償濾波器的係數。然後在補償濾波器後設計一響應濾波器，其頻率響應與期望的頻率響應，即目標頻率響應相同，對補償後的波形數據進行第二次濾波，實現輸入通道的期望的頻率響應，這樣就可以使數字示波器的帶寬得到增強。 在該發明專利申請中，補償濾波器和響應濾波器合在一起，相當於數字帶寬增強濾波器。但是，該數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，結構比較複雜
發明內容
本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種結構簡單的數字示波器帶寬增強方法。為實現上述發明目的，本發明數字示波器帶寬增強方法，其特徵在於，包括以下步驟(1)、對數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 Ht(eJ")；O)、根據實際測試需要，選取合適的通道頻率響應函數作為目標頻率響應函數 Hr(eJ")；(3)、根據實際通道頻率響應函數Ht (eJ")、目標頻率響應函數Hr (eJ")獲得數字帶寬增強濾波器的期望頻率響應函數Hd
權利要求
1.一種數字示波器帶寬增強方法，其特徵在於，包括以下步驟(1)、對數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 Ht(eJ")；O)、根據實際測試需要，選取合適的通道頻率響應函數作為目標頻率響應函數 Hr(eJ")；(3)、根據實際通道頻率響應函數Ht (eJ")、目標頻率響應函數獲得數字帶寬增強濾波器的期望頻率響應函數Hd
2.根據權利要求1所述的數字示波器帶寬增強方法，其特徵在於，所述的目標頻率響應函數的相位響應是線性的。
全文摘要
本發明公開了一種數字示波器帶寬增強方法，通過實際頻率響應函數、選取的目標頻率響應函數計算出數字帶寬增強濾波器的期望頻率響應函數。根據期望頻率響應函數獲得FIR數字濾波器初始係數，然後得到FIR濾波器頻率響應函數，並計算性能函數，如果在通帶
內，性能函數大於設定的最小值，則對性能函數求偏導，重新計算FIR濾波器的係數、頻率響應函數以及誤差函數、性能函數並判斷，直到性能函數J小於設定的最小值Jmin，用得到的第i次迭代獲取的FIR濾波器的係數h(i)(n)構造FIR濾波器作為數字帶寬增強濾波器，這樣用一個FIR濾波器就實現了現有技術的數字帶寬增強濾波器的功能，結構比較簡單。
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 優先權日2011年10月10日
發明者葉芃, 曾浩, 潘卉青, 田書林, 邱渡裕 申請人:電子科技大學