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CN101051059A - 波形压缩和显示 - Google Patents

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CN101051059A
CN101051059A CN 200710089620 CN200710089620A CN101051059A CN 101051059 A CN101051059 A CN 101051059A CN 200710089620 CN200710089620 CN 200710089620 CN 200710089620 A CN200710089620 A CN 200710089620A CN 101051059 A CN101051059 A CN 101051059A
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CN 200710089620
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S·K·萨利文
P·M·格尔拉赫
K·韦思
K·P·多拜恩斯
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特克特朗尼克公司
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R13/00Arrangements for displaying electric variables or waveforms
    • G01R13/02Arrangements for displaying electric variables or waveforms for displaying measured electric variables in digital form
    • G01R13/0218Circuits therefor
    • G01R13/0272Circuits therefor for sampling

Abstract

一种波形压缩和显示技术保存采样电信号的峰值检测版(背景版)和抽取/低通滤波版(前景版)。这两个版本以对比方式同时重叠显示在一起,而不使任一版中含有的信息模糊。低通滤波版使用一系列简单低通滤波器与抽取以从采样电信号导出的多个数据流中产生单一数据流。单一数据流然后可经过附加滤波,例如级联积分器-梳状滤波器,以获得所需的频带宽度。显示时,可对邻近抽取/低通滤波像素的峰值检测像素调节其强度,以使低通滤波波形的低频信息不丢失,而距低通滤波像素较远的峰值检测像素被增强以亮显高频信息。备选的是,背景版强度可由用户控制来控制在从零到预定最大值的第一范围,且前景版可控制在从默认强度到最大饱和强度的第二范围。

Description

波形压缩和显示

技术领域

本发明涉及电信号波形测量和显示,更具体地说,涉及波形压缩和显示的方法。

背景技术

在数字示波器中,波形数据被快速采样并存储在存储器中。当观察很长时间段时,数据量可能超过可用的存储器。这种情况发生时,一些信息需被废弃。所以,采样数据在存储到存储器之前需要进行压缩。由于数据以极高速率到达,所以可用的压缩方案有限。最常用的压缩方案是:·抽取:这种压缩方案混叠高频信息并遗漏窄脉冲。

·峰值检测:在存在有高频信号时低频信息丢失。

·HiRes滤波:一些高频信息被混叠且窄脉冲被滤出。

这些方案中每一种都有严重的缺点,如下详述。

在数字示波器中,需要检查高频信号。为了实时做到这一点,采样速率必须为被检查信号的最高频率分量的两倍。这是用以下方式实现的:使用非常快的技术制作模数变换器(ADC),然后将许多这种ADC并联放置、数字化同一模拟输入通道,其方式为对于每个采样时钟周期,每个ADC数字化来自不同时间的数据。非常高的采样速率是做到了,但会出现如何管理在非常短的时间段中所产生的庞大数量数据的问题。

采样数据通常被写入非常快的存储器中,根据需要并联放置许多存储器。只要被检查的时间段很短且数据量适合于存储器深度,这样就有效。但示波器用户想在长时间段检查电信号,而且不论存储器深度有多大,数据量都会大大超过存储器深度。为了允许长时间段检查,需要有压缩方案来减少存储在存储器中的数据量。在非常长的时间段检查时,压缩方案必须能够有非常大的压缩比。由于数据以如此高速率从ADC到达,所以压缩方案也必须非常快。

抽取是压缩的最简单形式。若以因素10作压缩,每10个采样中废弃9个即可。但抽取不是一个非常好的压缩方案,因为例如可能非常重要的窄脉冲常被废弃。而且高频信号分量被混叠到低频。这会使重要的低频信息模糊。这还会使这种形式的压缩“不忠实”,因为所看见的低频信号可能并不真正在那里。题目为“Anti-Aliasing DitheringMethod and Apparatus for Low Frequency Signal Sampling”的美国专利No.5,115,189说明了一种从看似混叠的低频信号中保持稳定的高频分量的方法,即:当以N抽取时,从每组N个采样中随机选择要保留的一个采样。高频分量仍混叠到低频,但稳固的高频信号由采样速率的这种频率调制被混叠到许多低频。题目为“Dithering Apparatus toProperly Represent Aliased Signals for High Speed Signal Sampling”的美国专利No.6,388,595覆盖了相同的方案,但实现方案有变更。

抽取的另一更改方案示于题目为“Waveform Memory Circuit”的美国专利No.4,586,022中,其中将采样数据与存储在存储器中的最后值进行比较。当这两个采样之间的差超过一极限时,将新值和被抽取的采样数一起存储到存储器中。用这种技术,和具有高频分量的信号相比,主要由低频分量组成的信号具有高得多的压缩比。但在通用数字示波器中,这种技术不大有效,因为所有信号,甚至具有高频分量的信号,都需被压缩以便适合存储器深度。

峰值检查包括将时间分成许多相等的时间段,然后找出每个时间段中的最大信号电压和最小信号电压。原先是使用模拟电路来找出最大和最小电压。将这些电压数字化并存储在存储器中。最近用数字峰值检测电路来检查数字信号以达到相同的结果。模拟峰值检测器总会引入误差,而如果信号不是恰好在峰值采样,则数字峰值检测器就不能寄存峰值电压。当采样速率比信号的最高频率分量大得多时,这后一问题就小了。虽然峰值检测可以被认为是显示模拟信号的一种“忠实”方式,但它趋向于使信号呈现有噪声,因为它显示了峰值噪声。而且当存在有高频分量时,它们趋向于使低频分量模糊。

通常最大和最小值在每个时间间隔期间都被写入存储器。但题目为“Peak Deviation Sampling”的美国专利No.4,183,087说明了一种技术,其中仅将最小或最大值,视哪一个与以前所选值变化最大,保存在存储器中。但由于仅存储一半数据而引入的不准确性,这种方案一般不值得采用。如今一般使用的方案在题目为“Waveform StorageSystem”的美国专利No.4,271,486中作了说明。每个时间段的最大和最小数字化值用数字逻辑找出并保存在存储器中。题目为“WaveformData Compressing Circuit”的美国专利No.4,755,960说明了对基本峰值检测方案的少许改动。在一种改动中,每个峰值检测对可以由前一对来改动,这样在作图时,一垂直线延伸到触及前一垂直线。其它改动包括跟踪过量程和欠量程代码、对所有值加一常数、以及允许数据不进行峰值检测就通过。

题目为“Digital Storage Oscilloscope with Indication of AliasedDisplay”的美国专利No.5,115,404说明了峰值检测的另一种变化。除了找出一个时间段上的最大和最小值外,所述电路还找出信号斜率变化的次数并跟踪哪个先找到,是最大值还是最小值。最大和最小值按照它们发生的顺序存储在存储器中。还包括发生两次或更多次斜率变化的指示器。数据然后被显示为最大和最小值之间的条带。另一方面,当斜率没有改变两次或更多次时,该数据显示为保持顺序穿过这两点的一条线。

题目为“Method and Apparatus for Detecting/Storing Waveform PeakValue”的美国专利No.5,547,232说明了一种方案,其中数据产生得如此迅速,以致单一的最大值和最小值电路构建起来很昂贵,所以将数据分成组-可能是并行数据流-并找出每组中的最大值和最小值。题目为“Interleaved Digital Peak Detector”的美国专利No.6,121,799说明了一种峰值检测电路,其中将数据分成多条管道或路径,并找出各路径中的峰值。

题目为“Sampling Technique for Waveform Measuring Instruments”的美国专利No.5,740,064说明了如何获取峰值检测数据和抽取数据的混合数据。当峰值振幅大于一极限时,峰值检测数据被存储在存储器中,否则存储抽取数据。这就允许具有噪声的低频信号呈现为较少有噪。虽然所显示的数据看起来好些,但这具有使峰值检测模式“不忠实”的效果。题目为“Digital Oscilloscope Having Improved Peak DetectMode”的美国专利No.6,344,844表明峰值检测和抽取数据都可保存在获取存储器中。抽取的数据被常规显示,但峰值检测数据则根据许多条件中的任一条件而有不同显示。最值得注意的是,如果峰值检测数据的垂直高度很小,则峰值检测数据可用低强度显示。这就允许主要使用抽取数据来画出具有低噪声的低频,这样峰值噪声就不会被强调。但用较高强度画出与以前或随后的数据显著不同的峰值检测数据诸如窄脉冲的能力还是存在的。

一般来说,滤波被看作是在抽取之前防止发生混叠的一种方式,如题目为“Anti-Aliasing Filter Circuit for Oscilloscopes”的美国专利No.4,621,217中所示。该方案通过在执行抽取之前去除高频信号分量来防止混叠。滤波是在信号被数字化之前完成的。题目为“Digital BandpassOscilloscope”的美国专利No.4,802,098选择性地去除频率分量,这样仅留有给定的频带,允许在所需时间段上在可用存储器中的压缩。

题目为“Anti-Alias Filtering Apparatus for Frequency DomainMeasurements”的美国专利No.5,233,546说明了一种用有限冲激响应(FIR)低通滤波器来数字化滤波数据的技术。在高采样速率,先在存储器中获取数据,然后滤波。但没有实现压缩。在足够低的采样速率,数字化数据可在存储在存储器之前被滤波和抽取。许多现代示波器,诸如Beaverton,Oregon的Tektronix公司制造的TDS400、TDS500B和TDS700A数字示波器都有一种称为“HiRes”的模式。这种获取模式使用移动平均滤波器,然后抽取,以压缩数据。当用来观察低频信号时,HiRes滤波器显著降低了高频噪声。不幸的是,HiRes移动平均滤波器不是良好的低通滤波器。它允许相当大量的一些高频信号通过,这些高频信号然后被混叠并呈现为低频分量。

所需要的是一种快速且更为智能的方式,来压缩采样波形数据以保持“忠实”的显示。

发明内容

因此,本发明提供了一种波形压缩和显示技术,它保存采样电信号的峰值检测版(version)(“背景”版)以及抽取和/或低通滤波版(“前景”版)。这两种版本以对比方式同时显示,而不使各版所含的信息模糊。前景版可仅使用抽取,或可和抽取一起使用一系列简单的低通滤波器从采样电信号导出的多个数据流中产生单一数据流,低通滤波的量可从无到最大所需等级进行调节。单一数据流然后可经过附加滤波,以获得所需的频带宽度。当同时显示为重叠波形时,邻近前景版像素的背景版像素可在强度上作为一种对比形式进行调节,这样抽取/低通滤波波形的低频信息就不会丢失,而距前景版像素较远的背景版像素可被强化以亮显高频信息。通过适当识别前景和背景版像素,就可使用单一用户控制在第一范围上从零到最大等级强度调节背景版像素的强度,并从默认值到最大饱和值调节前景版像素的强度。也可通过使用前景和背景版像素之间的不同颜色或饱和等级进行显示来实现对比。

本发明的目的、优点和其它新颖特征,从以下详细说明并结合所附权利要求和附图阅读,可显而易见。

附图说明

图1为按照本发明具有波形压缩和显示的数字示波器框图。

图2为按照本发明用于波形压缩和显示的峰值检测电路框图。

图3为按照本发明用于波形压缩和显示的低通滤波器框图。

图4为按照本发明用于图3的低通滤波器的第一滤波器级框图。

图5为按照本发明用于图3的低通滤波器的第二滤波器级框图。

图6为按照本发明用于图3的低通滤波器的第三滤波器级框图。

图7为按照本发明用于图3的低通滤波器的第四滤波器级框图。

图8为按照本发明用于图3的低通滤波器的附加滤波器级框图。

图9为按照本发明替代图4-7滤波器级的备选低通滤波器级图。

图10为按照现有技术的波形数据图形显示的平面图。

图11为由本发明的压缩和显示方案处理的波形数据图形显示的平面图。

具体实施方式

现在参阅图1,图中示出的数字示波器10具有输入端口12用于接收电信号。来自输入端口12的电信号被输入到衰减放大器14、带宽限制器16以及一个或多个模数变换器(ADC)18。以数据采样形式得到的数字化电信号被输入到并联的三个不同压缩模块-常规抽取器20、低通滤波器22和峰值检测器24。来自抽取器20和低通滤波器22的被抽取和低通滤波的数据采样存储在主获取存储器26中,且来自峰值检测器24的峰值检测数据采样存储在峰值数据获取存储器28中。主获取存储器26和峰值数据获取存储器28物理上可以是同一存储器的一部分,如所属领域众所周知。而且,峰值数据获取存储器28在长度上可比主获取存储器26要短。来自获取存储器26、28的数据采样可经由数字数据总线30存取供进一步处理。连接到数字数据总线30的是随机存取存储器(RAM)32、图形引擎34、以及显示逻辑36。显示逻辑36的输出呈现在显示器38上以供观看。数字示波器的所有元件均在处理器40的控制下。

以下说明分成峰值检测、低通滤波以及显示各节。在上下文中,每一节都是针对具有200MHz示范带宽和2GS/秒采样速率的数字示波器10进行说明的。虽然说明的是仅用于一个通道的电路,但数字示波器10可具有多达四个通道。每个通道在ADC 18之前都有衰减放大器14和带宽限制器16。总的来看,ADC 18以2GS/秒的速率采样来自带宽限制器16的已调整模拟信号,并产生8位数字化数据采样。数据采样被组织成8个数据流,它们以每4ns定时钟(clocked)。数据流被递送到抽取器20、低通滤波器22和峰值检测器24。在以下讨论中数据字节被引用为S(n)、S(n+1)、…、S(n+7),其中S(n)最后采样、S(n+1)在之前0.5ns采样,依此类推。在以前的4ns中数据字节是S(n+8)到S(n+15),依此类推。

峰值检测器24以常规方式在连续的时间段中找出最大和最小值,并将这些值存储在峰值数据获取存储器28中。低通滤波器22去除高频分量、抽取并将这些值存储在主获取存储器26中。抽取器20可传送所有数据采样,或可抽取它们,其所得到的值也存储在主获取存储器26中。虽然抽取器20和低通滤波器22示为单独的电路,但可以将它们设计为单一单元,且所应用的低通滤波量可以从无到最大所需等级进行调节。而且,如上所示,主和峰值数据获取存储器26、28可以组合起来。获取存储器26、28的内容经由数字数据总线30传送到RAM 32,且峰值检测数据可“标记”为背景数据供显示,而抽取/低通滤波数据可“标记”为前景数据供显示。图形引擎34,也称为光栅化器,从RAM 32中取出所获取的数据采样,并产生波形画面,其也存储在RAM中。显示逻辑36从RAM 32中取波形画面,将其与其它图形信息合并,并将所得到的图像递送到显示器38。处理器40,它可以是一个或多个微处理器,控制这些操作。为了本文的讨论目的,数字示波器10的其它过程,例如触发、执行测量以及通过接口将数据传送到打印机或计算机等均未示出,但对所属领域的技术人员这些过程是众所周知的。

峰值检测数据一般具有比来自抽取器20和低通滤波器22的数据更低的采样速率。但图形引擎34将峰值检测数据和低通滤波/抽取的数据放在一起,尽管有不同的采样速率。峰值检测获取存储器28中的信息,除了提供有关峰-峰信号幅度的信息外,还可看作是警告信息。它提供以下警告:·窄脉冲发生;·存在高频信号;·ADC 18的动态范围正被超过。

峰值检测数据成对出现。在一个时间段,每对具有最大值和最小值。当然,当时间段为两个采样时,不发生压缩。但为简化电路设计,用于时间段的时间间隔优选为8个数据采样的倍数。

图2更详细地示出峰值检测器24。为帮助理解,允许电路足够快操作的流水线级未予示出。每个峰值检测系统时钟(4ns)有8个8位值从ADC 18到达峰值检测器24。这些值S(n)到S(n+7)按时钟进入各自的输入寄存器42。输入寄存器42的输出进入最大值/最小值电路44。每个最大值/最小值电路44都有数字比较器46,它找出两个输入中的较大者。比较器46的输出控制多路复用器48,多路复用器48将较大值路由到“max”输出,并将较小值路由到“min”输出。第一列四个最大值/最小值电路44在各对输入寄存器42中找出最大值和最小值。第二列四个最大值/最小值电路50被分成仅找出最大值的两个上部电路和仅找出最小值的两个下部电路。第三列两个最大值/最小值电路52具有找出所有8个输入寄存器42的最大值的上部最大值/最小值电路和找出所有8个输入寄存器的最小值的下部最大值/最小值电路。

最后一列两个最大值/最小值电路54找出在长时间段的最大值和最小值。参阅最后一列上部的最大值/最小值电路54,在时间段的开始,多路复用器53选择-128用于输入到最大值/最小值电路的一个输入端,以使其通过另一输入端从第三列最大值/最小值电路52到最大值寄存器56。这导致最大值寄存器56含有S(n)到S(n+7)的最大者。在峰值检测系统时钟的所有随后周期上,最后的最大值/最小值电路54将来自最大值寄存器56的以前的最大值和来自第三列最大值/最小值电路52的新的最大值进行比较,并选择较大者成为最大值寄存器的新内容。最小值寄存器58以类似的方式在每个时间段产生最小值,下面的多路复用器55初始选择127的值,用于输入到下面那个最后的最大值/最小值电路54。在时间间隔中的最后峰值检测系统时钟之后,来自最大值和最小值寄存器56、58的最大值和最小值被写入峰值数据获取存储器28中。

低通滤波器22执行低通滤波,随后抽取,然后将数据采样值写入主获取存储器26。低通滤波器22设计成在抽取前滤出高频信号分量以最小化混叠,否则混叠会使重新构建低频信号成为不可能。低通滤波器24还减少噪声和信号的其它不需要的高频分量。低通滤波器22必须与以极快速率到达的数据采样实时操作。当模拟信号充分过采样时,小量的抽取不会引起有效信号分量的混叠。例如当模拟带宽为200MHz,且采样速率为2GS/秒时,以2抽取得到1GS/秒的采样速率。不需要数字低通滤波器来防止混叠,因为200MHz的模拟带宽大大减少了500MHz的奈奎斯特频率以上的信号分量。由于在此实例中以2抽取时不需要高速数字低通滤波器,因此低通滤波器22可设计成仅以4或更高的抽取速率工作。

低通滤波器22可通过观察最简单的低通滤波器种类的特征进行设计。这些简单的滤波器属于移动平均滤波器类,其中将少数连续采样求和。这些滤波器可以用一系列加权来描述-第一加权“乘”以第一采样,第二加权“乘”以第二采样,依此类推,将所有乘积求和得到滤波器输出。例如,将两个连续采样相加的滤波器是(11)。该滤波器在DC时增益为2,但在一半采样速率时增益为零。更常见的是,将该滤波器描述为(0.5 0.5),这样在DC时增益为1,但为了去除乘法器,将滤波器系数限制到“1”。所有这些简单滤波器在DC时具有满增益,且在某些频率具有零增益,如下表所列。

当将这些滤波器串联放置时,来自每个滤波器的零频就组合起来,即:通过将(111)与(1001)串联放置所构成的滤波器在1/3、2/3和1时间奈奎斯特具有零频。通过将许多这些滤波器串联放置并选择滤波器以使在几乎每个不需要的频率上都是零,低通滤波器22就具有所需的特征。而且抽取也包括在内,以将数据从8个并行数据流转换成一个数据流。所以滤波和抽取的作法是,在抽取之前使混叠到低频区域的频率被去除。

低通滤波器22的一般略图示于图3。(一般见E.B.Hogenauer“AnEconomic Class of Digital Filters for Decimation and Interpolation”IEEETransactions on Acoustics,Speech and Signal Processing,ASSP-29(2):155-162,1981)。来自ADC 18的8个数据流或管道进入第一滤波器级60。第一滤波器级的输出以2抽取,并进入第二滤波器级70。信号再次以2抽取,这样只有两个数据流离开第二滤波器级70。信号然后通过第三和第四滤波器级80、90。在第四滤波器级90的输出端,信号可存储在主获取存储器26中,或以2抽取并进入附加滤波器级100,例如Matthew P.Donadio在文章“CIC Filter Introduction”中所述的级联积分器-梳状滤波器(CIC)(htt://users.snip.net/~donadio/cic.pdf)。附加滤波器级100允许在宽频率范围上滤波。附加滤波器级100的输出可进一步以M抽取(120)。最后,乘法器122将在DC的增益调节到1,然后将数据写入主获取存储器26。

第一滤波器级60是可编程的,并可以是(10000001)或是(1001)。如图4所示,来自ADC 18的8条管道以每4ns定时钟进入各自的输入流水线寄存器62,并被标记为S0到S7。早先的S1、S3和S5数据定时钟进入附加流水线寄存器64,并成为S9、S11和S13数据。数据S0是最老的,数据S1是早500ps采样的,数据S9在S0前4.5ns采样,依此类推。在高频采样模式,多路复用器66选择上部输入,使T0为S0与S3的和(68),即(1001)乘(S0 S1 S2 S3)。该滤波器在1/3奈奎斯特或333MHz以及在1GHz时具有的增益为零。在低频模式,多路复用器66选择下部输入,使T0为S0与S7的和(68),即(10000001)乘(S0 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7)。该滤波器在1/7、3/7、5/7和1奈奎斯特或143MHz、429MHz、714MHz以及1GHz时具有的增益为零。第一滤波器级60执行以2抽取,并使用所有8个输入。

如图5所示,每个数据流中的数据T0到T3现在相隔1ns,且奈奎斯特频率为500MHz。在高频模式,第二滤波器级70为(11),在500MHz时增益为零。在低频模式,第二滤波器级70为(1001),在167MHz和500MHz时增益为零。输入寄存器72接收来自第一滤波器级60的输出T0到T3,并标记为U0到U3。信号U1被输入到另一寄存器74,以产生输出U5。U0经由多路复用器76在高频模式与U1求和(78),或在低频模式与U3求和(78),而U2经由多路复用器76在高频模式与U3求和(78),或在低频模式与U5求和(78)。第二滤波器级70执行以2抽取,以产生数据流V0和V1,使用所有四个输入T0到T3。

在第三滤波器级80,如图6中更详细所示,数据V0和V1现在相隔2ns,且奈奎斯特频率为250MHz。数据被输入到输入寄存器81并标记为W0和W1,它们又被输入到中间寄存器82并标记为W2和W3。W2被输入到第三寄存器83,以产生W4。在高频模式,“与”门88阻塞和(86)W0+W3与W1+W4,而输出求和器89的输出X0和X1反映W1+W2与W2+W3的和(85)的两倍(87),这样第三滤波器级80为(22),在250MHz时增益为零。在低频模式,和(86)W0+W3与W1+W4通过“与”门89,得到滤波器(1221),它是滤波器(11)和(111)的组合。现在第三滤波器级80在167MHz和250MHz时具有的增益为零。由于抽取,333MHz被混叠到167MHz,并被去除。

第四滤波器级90示于图7,图中输入X0和X1被输入寄存器91所接收,并标记为Y0和Y1,它们又被随后的寄存器93接收,并标记为Y2和Y3。组合Y0+Y1、Y1+Y2和Y2+Y3相加95。Y1+Y2的和成为一个输出Z1,而在高频模式,“与”门97阻塞Y2+Y3,所以Z0输出是和Y0+Y1。每4ns来自Z0和Z1的数据被送到主获取存储器26,允许数据以500MS/秒的速率被存储。在高频模式以及前端为200MHz时,所有滤波器级60、70、80、90的带宽大约为80MHz。在高频模式每个滤波器的DC增益为32。通过在将Z0和Z1输出写入主获取存储器26时移位Z0和Z1输出,将该增益转换为增益1。超过奈奎斯特的最大增益大约为0.01,所以非常少的信号被混叠。在低频模式,信号Y2+Y3通过“与”门97,并与Y0+Y1求和(99),以产生Z0输出,即:Z0是Y0、Y1、Y2和Y3的和。在此模式,第三滤波器级80的增益在250MHz和500MHz时为零,且仅使用Z0输出用于以2抽取。奈奎斯特频率成为125MHz。所有滤波器级60、70、80、90都在低频模式时,在125MHz、143MHz、167MHz、250MHz、333MHz、375MHz、429MHz和500MHz时增益为零。在前端为200MHz时,这些滤波器的带宽大约为36MHz。滤波器的DC增益为2*2*6*4或96,该增益以后被校正。超过奈奎斯特的最大增益大约为0.0008乘DC增益,所以也是非常少的信号被混叠。

如图8所示,附加CIC滤波器级100具有三个可编程移动平均滤波器,以Z0为输入。这些移动滤波器可以不滤波就让信号通过,或可滤波到极低的频率。每4ns新数据到达输入端,并在第一寄存器102中累加(101)。虽然第一寄存器102可具有20个额外的最高有效位,但它最终仍然溢出。第一寄存器102的输出进入第一移位器电路103,它将数据向右移位K1个位置-K1可在0-20的范围内,即:当K1为零时,不发生移位。通过使用后面的加法器104中的进位输入对第一移位器103的输出舍入(round),加法器104是包括第二寄存器105的第二累加器的一部分。第二累加器105的输出进入具有第二移位因子K2的第二移位器106。第二移位器106的输出进入第三累加器107、108以及具有移位因子K3的移位器109。在三个累加器后有三个差分电路110。当累加器每4ns定时钟时,差分电路110按抽取时钟工作,即:它们可定时钟每8ns、12ns等或每4ns,但每4ns、8ns、12ns等取新值。每个差分电路110中的多路复用器112沿移位寄存器114选择一个抽头。如果第一抽头被选择,且如果电路每4ns被定时钟,则每个差分电路110反向在以前累加器之一中所做的累加,且数据通过附加CIC滤波器级100,没有改变。

从单个累加器后面是单个差分电路开始,最好地示明累加器和差分电路的工作。当两个电路一起定时钟时,这一对即作为简单移动平均滤波器工作。差分电路110中的多路复用器112选择移动平均中的项数。当选择了第一抽头时,选择一项的移动平均,且滤波器让输入通过,不作改动。可考虑累加器和差分电路都使用模运算,这样在输出加法器116中的溢出就不会引起输出中的误差。当选择了第二抽头时,差分电路现在产生的输出是由累加器101-109累加的两个连续值的和。当选择了8个抽头中的最后一个时,产生8项的移动平均。但是输出未被抽取。附加CIC滤波器级100在每个时钟产生正确输出。

当差分时钟速率是累加器时钟速率的一半时,差分电路110所见的输入总是反映两个累加值,导致移动平均序列的长度加倍。该输出也以2抽取。当时钟比例为N时,移动平均序列的长度乘以N,且输出以N抽取。通过将三个累加器101-109串联放置,后接三个差分电路110,输出由三个差分电路规定的三个移动平均序列滤波。

随着时钟比例N增大,输出以N的三次方的速率增大。每个滤波器的增益是N乘以负通路中的寄存器数。由于三个滤波器串联,因此附加CIC滤波器级100的三个滤波器的增益是A*B*C*N*N*N,其中A、B和C是第一、第二和第三差分电路110的负通路中的寄存器数。为使滤波器频率下降到大约1KHz,N的值大约为1百万,这样总增益在1E20左右,需要最后的差分电路110具有含大约75位的寄存器。但这一点用三个移位器电路103、106、109可以避免。随着N增大,这些移位器电路废弃最低有效位,允许最后的差分电路110使用16位寄存器。三个差分电路中的多路复用器112允许大范围的滤波器被编程。有几个组合值得注意。5、6和8项的移动平均产生的滤波器其后可接4的抽取,只有不到百分之一的任何高频信号分量被混叠。3、4和5项,4、5和6项,或5、6和7项的移动平均也产生好的低通滤波器。

附加CIC滤波器级100后面是以M抽取的可编程抽取器120。M的值可从1,即不抽取,到4,即在每四项中选择一项。乘法器电路122跟随在最后抽取之后,并校正通过所有滤波器级60-100累加的增益误差。备选的是,可将原始数据写入主获取存储器26,而增益则在图形引擎34中并当数据在显示器38上呈现给用户时被校正。

虽然在图3-7中所述的低通滤波在CIC滤波器级100之前使用了四个低通滤波器级60-90,备选的低通滤波器130示于图9,它可替代前四个低通滤波器级。对小于或等于8的抽取速率,备选低通滤波器130滤波数据,但对大于8的抽取速率,则使用CIC滤波器级100。和以前一样,在所有抽取速率,高于奈奎斯特的所有频率都被抑制到百分之一以下。8个8位采样被加载到每个系统时钟上,进入上部寄存器132。采样数据的顺序为:D0是最早的采样,而D7是最后获取的采样。数据然后向下进入8层滤波器元件134-148。在每一层,维持另一精度位。待数据到达层134-148的底部时,数据已被滤波。如图所示,有64个滤波器元件,每个滤波器元件F(n)与原始的D(n)输入采样相关联。每个滤波器元件152将两个值相加(154),并将结果放在寄存器156中。一个值来自于紧靠其上一层中的元件,另一值由多路复用器158选择,将两个值中的一个作为向下传送的值。在选择了向下传送的值后,数据被加倍后通过滤波器元件。其余的多路复用器输入来自同一层中但更靠右的滤波器元件的输入。滤波器块中的每一层都能够应用由两项构成的简单滤波器。多路复用器选择D(0)表示同一项自己相加。多路复用器选择D(1)表示加上邻近滤波器元件的值;多路复用器选择D(2)表示加上向右两个采样的滤波器元件的值,依此类推。这种类型的滤波器元件产生许多不同的滤波器。

任一层中的多路复用器158全都相同——TapSelect0控制可设置为控制第一层(层0)的所有滤波器元件152以选择邻近采样值;TapSelect1控制可设置为控制下一层(层1)的所有滤波器元件以选择向右5个的数据值;等等。由于一些多路复用器抽头可延伸过滤波器层的边缘,因此实际上滤波器层右侧有附加电路(未示出)。每系统时钟,新数据被向右移位8个位置,且滤波器元件152中的寄存器156的内容也向右移位8个位置。这些附加寄存器,逻辑上位于滤波器块130的右侧,未予示出。顶寄存器132也向右延伸。

在所有情况下,低通滤波器130的输出是8次相加的结果,这样当在在上部插入8位数据时,在底部的数据是16位数据。所应用的滤波器操作的顺序没有关系,只要该层能支持滤波器实现方案的选择即可。可用来在抽取前防止混叠的一组低通滤波器示于下表:抽取

例如,以表中4列抽取示出的滤波器可用于构成带宽为80MHz的低通滤波器。该滤波器在以4抽取之前用以防止混叠。多路复用器158可改为两个单独的多路复用器,上多路复用器选择D(0)、D(1)和D(2),而下多路复用器选择D(0)、D(5)和D(8),多路复用器的输出进入加法器154。这种减少的滤波器元件,除有典型的滤波器组延迟外,还有附加的实现延迟。

低通滤波器130的最后一级是四个通过/舍入块162的通过/舍入层160。对于低分辨率,16位低通滤波数据可舍入到8位精度、抽取并存储在存储器12中;对于高分辨率,16位数据可被抽取并存储在存储器中。当数据不被滤波时,通过/舍入块162允许采样数据通过,不作改变。当数据被滤波但不舍入时,16位输入被路由到两个8位输出。当数据被滤波并舍入时,舍入输入控制0x0080加到d0,并在y0上输出结果。通过具有8位输出,通过/舍入块162将随后块中使用的路由通道数减半。抽取期间仅使用滤波器块130的一些输出,视抽取模式和速率而定。

在主获取存储器26中有抽取/低通滤波采样且在峰值数据获取存储器28中有峰值检测采样之后,显示逻辑36现在必须在显示器38上为用户呈现直观而漂亮的图像。所显示的波形既不应通过示出不在原信号中的信号而误导用户,也不应隐藏原信号中存在的重要信号分量。如果两个版本都以满强度显示,则波形信号的峰值检测版趋向于使抽取/低通滤波版模糊。所以,需要某种方法来对比这两个版本。

显示两个版本而不使任一个模糊的一种方法是,以正常方式画出波形的峰值检测版(背景版),然后在画抽取/低通滤波版时,降低在信号低通滤波版(前景版)附近以前所画峰值检测信号的亮度。图10示出以正常方式画的峰值检测信号,而图11示出具有峰值检测和低通版本的同一信号。峰值检测版的亮度在低通滤波版附近时被降低,允许对信号的低通滤波版进行观察。峰值检测版的亮度随距低通滤波版的距离而增加。亮度被改变的背景和前景版之间的像素数可以从1个或2个像素调节到所规定的最大数。

不需要先以满亮度画峰值检测版,以后再降低亮度。显示逻辑36可同时产生波形的两个版本。显示逻辑36确定每个峰值数据像素距低通滤波信号的距离,并用适当的强度画出峰值数据像素。当降低峰值检测版的亮度时,考虑到最后的、当前的和下一个低通滤波信号点,显示器38看起来更好。亮度是指灰度的不同阴影,其中较亮的阴影就是从背景突出的阴影。不同颜色可用来代替灰度阴影,而且可使用颜色的不同饱和度等级。

使两个版本形成对比显示的另一方式是提供用户“强度”控制,它可不同地对待两个版本。例如,用户控制可以在第一范围从零到规定的最大值调节背景版像素的强度,然后在第二范围从默认等级到最大饱和值调节前景版像素的强度。这样,只有前景版像素可被看见,或背景版像素可相对前景版像素调节强度,或最后前景版像素可相对背景版像素被增强,以便在提供采样信号波形的真实视图方面为用户提供最大的灵活性。

当然也可对两个版本仅使用不同的颜色或饱和度等级来实现对比。用户对于使用哪种技术来提供采样信号波形的显示具有选择权。

当ADC 18到达它们范围的末端时,这些代码被放入信号的峰值检测版中。当找到极限代码时,信号的低通滤波版可能不准确。该信息会被显示,以使用户知道不要信任信号的低通滤波版。低通滤波版的强度或颜色可改变以表明它可能不准确。强度可以是使信号看不见。而且,峰值检测版的颜色或强度也可改变。警告消息或图标也可放在显示器上。

波形数据有时显示为频谱,特别是通过使用快速傅里叶变换(FFT)算法时。在示出频域信息时,仅使用信号的低通滤波版。有一对策略可用来确保所显示的信息是准确的。第一,不能可靠显示的频谱部分不显示,即:没有理由显示高达奈奎斯特频率的频谱,-或是在奈奎斯特频率附近没有信号,因为已通过滤波去除,或是由于不足够的滤波而在奈奎斯特频率附近有混叠分量。小量的混叠信号总是有可能的,因为滤波器并非完美。通过将FFT显示限制到仅有较强的信号,极弱的混叠信号就被隐藏。备选的是,将可能含有混叠信号的FFT显示部分指示出来,这样用户就会谨慎对待这种区域内的信号。这些区域可以通过对显示加阴影或通过使用不同的背景颜色来指示。

信号的低通滤波版在存储到主获取存储器26中之后可进一步滤波。附加滤波可由微处理器或图形引擎34完成。该滤波进一步降低了带宽。在降低带宽的过程中,混叠减少的程度得到改进。通过增强已通过以前的滤波衰减的一些频率下的增益,带宽也可增加很小的程度。内插也可用来增加采样速率。显示器38的水平分辨率对显示高频信息设置了极限。低通滤波数据在构成波形图像之前再次滤波,以去除由显示器水平分辨率设置的高于奈奎斯特频率的高频信息。这使波形图像与记录长度无关,因为记录长度是低通滤波器截止频率的函数,而截止频率又是抽取后采样速率的函数,即,在波形图像中所见的噪声量否则是记录长度的函数。而且,高频噪声从低通滤波波形中被消除了,使轨迹更清晰。

低通滤波的备选方案是使用通过波形平均产生的波形。在执行波形平均时,示波器10获取许多波形,并然后显示平均波形图像。平均波形图像是这样得到的:平均每个波形中的第一点,以构成平均波形图像中的第一点,然后平均每个波形中的第二点,以构成平均波形图像中的第二点,依此类推。在实际中,波形平均常以连续方式执行,不需要一次在存储器中保持许多波形。波形平均的一个特别优点是它趋向于去除与触发器不同步的所有信号,例如噪声。由于这种噪声减少,平均波形常常看上去非常类似于低通滤波器波形。

还可以使用包络波形替代峰值检测波形。包络波形通过获取许多波形而形成,和执行波形平均时所做的相同。通过找出所有获取的波形中第一点的最大值和最小值,找出包络波形中的第一对点,通过找出所有波形中第二点的最大值和最小值,找出包络波形中的第二对点,依此类推。通过获取许多波形而不抽取并产生单一波形来代表来自所有波形的数据,平均或包络波形代表另一种压缩形式。波形平均的主要优点在于,它降低了噪声和与触发器不相关的其它信号,但不减小与触发器同步的信号带宽。

波形平均可在许多低通滤波波形上执行,而波形包络可在峰值检测波形上执行。所得到的波形显示可从以下任一项获得:·具有峰值检测波形的低通滤波波形;·具有包络波形的平均波形;·来自许多低通滤波波形的平均波形以及来自许多峰值检测波形的包络波形。

并非每种信号都从上述压缩和显示方案中受益。例如视频波形通常以模仿在模拟示波器上所见的显示的方式被显示。这最好通过使用抽取但不低通滤波来实现。然后,使用将亮度显示为信号处于特定电压的时间的函数的方案来显示抽取的数据。

虽然并不合乎所需,但较低质量的滤波器,例如在上述背景中所述的HiRes滤波器,可用来代替好的低通滤波器产生上述显示。这种较低质量的滤波器较易于实现,且仍显著降低噪声和减少一些混叠。

因此,本发明提供了一种压缩和显示技术,它从输入信号中提供低通滤波波形和峰值检测波形,这降低了噪声并消除了大部分频率混叠,这两个波形以不使每个波形中所含信息模糊的方式同时被显示。

Claims (36)

1.一种在存储之前压缩采样数据的数字获取系统,包含:用于以高采样速率数字化电信号以产生多个采样数据流的部件;用于以多个压缩方案同时并行压缩所述多个采样数据流以产生每个压缩方案的压缩采样数据流的部件,所述压缩方案中至少一个是低通滤波方案;以及用于存储所述压缩采样数据流作为每个压缩方案的所获取样本数据的部件。
2.如权利要求1所述的数字获取系统,还包含:用于从每个压缩方案的所获取样本数据中生成图形波形图像以产生相应波形图像的部件;以及用于显示互相重叠的所述相应波形图像而不使任何所述波形图像中所含的信息模糊的部件。
3.如权利要求1所述的数字获取系统,其中所述压缩部件包含:低通滤波器,作为所述低通滤波方案,以在抽取之前从所述多个采样数据流中滤出高频信号分量,以将混叠最小化、降低噪声并减少所述电信号的其它不需要的高频分量;以及峰值检测器,与所述低通滤波器并联,以捕获所述电信号中的高频事件。
4.如权利要求3所述的数字获取系统,其中所述压缩部件还包含抽取器,所述抽取器与所述低通滤波器和所述峰值检测器并联,用于从所述多个采样数据流中选择性地废弃数据样本。
5.如权利要求2所述的数字获取系统,其中所述生成部件包含用于在生成所述波形图像时进一步压缩来自所述存储部件的所获取数据的部件。
6.如权利要求5所述的数字获取系统,其中所述进一步压缩部件包含用于从连续获取中平均多个波形以产生所述波形图像的部件。
7.如权利要求5所述的数字获取系统,其中所述进一步压缩部件包含用于从连续获取中包络多个波形以产生所述波形图像的部件。
8.如权利要求3所述的数字获取系统,其中所述低通滤波器包含HiRes滤波器。
9.如权利要求3所述的数字获取系统,其中所述低通滤波器包含串联的多个滤波器级,每个滤波器级具有简单的低通滤波器设计,并提供所需的抽取因子。
10.如权利要求9所述的数字获取系统,其中所述多个滤波器级包含:低通滤波器级,具有所述多个采样数据流作为输入并提供输出,所述输出以所需抽取因子抽取以产生单一采样数据流;以及附加滤波器,具有来自所述低通滤波器级的所述单一采样数据流作为输入,并以具有所需低通带宽的所述压缩采样数据流作为输出。
11.如权利要求10所述的数字获取系统,其中所述低通滤波器级的输出包含从由高频采样模式输出和低频采样模式输出组成的组中选择的输出。
12.如权利要求10所述的数字获取系统,其中所述低通滤波器级包含:输入寄存器,用于接收所述多个采样数据流;以及多层滤波器元件,与所述输入寄存器串联,以使所述多个采样数据流流过所述层,以产生滤波的多个采样数据流供随后抽取。
13.如权利要求10所述的数字获取系统,其中所述低通滤波器级包含串联的多个低通滤波器级,第一滤波器级具有所述多个采样数据流作为输入并提供抽取的滤波输出,随后的滤波器级具有来自前一滤波器级的所述抽取的滤波输出作为输入,且最后的滤波器级具有所述单一采样数据流作为输出。
14.如权利要求10所述的数字获取系统,其中所述附加滤波器级包含级联的积分器-梳状滤波器,所述级联的积分器-梳状滤波器具有多个串联的可编程移动平均滤波器,以所述单一采样数据流作为输入并以所述压缩采样数据流作为输出。
15.如权利要求10所述的数字获取系统,其中所述低通滤波器还包含用于进一步抽取所述压缩采样数据流以产生压缩采样数据流的部件。
16.如权利要求15所述的数字获取系统,其中所述低通滤波器还包括用于在将所述压缩采样数据流提供到所述存储部件之前将所述低通滤波器的增益调节为在DC时为1的部件。
17.一种在存储之前压缩采样数据的电信号获取方法,包含以下步骤:以高采样速率数字化所述电信号,以便每一采样时钟周期产生多个采样数据流;使用多个压缩方案同时并行压缩所述多个采样数据流,以产生每个压缩方案的压缩采样数据流,所述压缩方案中至少一个是低通滤波方案;以及存储所述压缩采样数据流作为每个压缩方案的所获取样本数据。
18.如权利要求17所述的方法,还包含以下步骤:从每个压缩方案的所获取样本数据中生成图形波形图像,以产生相应波形图像;以及显示重叠在一起的所述相应波形图像而不使任何所述波形图像中所含的信息模糊。
19.如权利要求17所述的方法,其中所述压缩步骤包含以下步骤:作为所述低通滤波方案,在抽取之前低通滤波所述多个采样数据流以滤出高频信号分量,以将混叠最小化、降低噪声并减少所述电信号的其它不需要的高频分量;以及与所述低通滤波并行地峰值检测所述多个采样数据流,以捕获所述电信号中的高频事件。
20.如权利要求19所述的方法,其中所述压缩步骤还包含以下步骤:与所述低通滤波和所述峰值检测并行地抽取所述多个采样数据流,以从所述多个采样数据流中选择性地废弃数据样本。
21.如权利要求18所述的方法,其中所述生成步骤包含在生成所述波形图像时进一步压缩来自所述存储步骤的所获取数据的步骤。
22.如权利要求21所述的方法,其中所述进一步压缩步骤包含从连续获取中平均多个波形以产生所述波形图像的步骤。
23.如权利要求21所述的方法,其中所述进一步压缩步骤包含从连续获取中包络多个波形以产生所述波形图像的步骤。
24.如权利要求19所述的方法,其中所述低通滤波包含使用HiRes滤波器进行滤波的步骤。
25.如权利要求19所述的方法,其中所述低通滤波包含使用串联的多个滤波器级进行滤波的步骤,每个滤波器级具有简单的低通滤波器设计,并提供所需的抽取因子。
26.如权利要求25所述的方法,其中所述多个滤波器级包含:低通滤波器级,具有所述多个采样数据流作为输入并提供输出,所述输出以所需的抽取因子抽取,以产生单一采样数据流;以及附加滤波器,具有来自所述低通滤波器级的所述单一采样数据流作为输入,并以具有所需低通带宽的所述压缩采样数据流作为输出。
27.如权利要求26所述的方法,其中所述低通滤波器的输出包含从由高频采样模式输出和低频采样模式输出组成的组中选择的输出。
28.如权利要求26所述的方法,其中所述低通滤波器级包含串联的多个低通滤波器级,第一滤波器级具有所述多个采样数据流作为输入并提供抽取的滤波输出,随后的滤波器级具有来自前一滤波器级的所述抽取的滤波输出作为输入,且最后的滤波器级具有所述单一采样数据流作为输出。
29.如权利要求26所述的方法,其中所述附加滤波器级包含级联的积分器-梳状滤波器,所述级联的积分器-梳状滤波器具有多个串联的可编程移动平均滤波器,以所述单一采样数据流作为输入并以所述压缩采样数据流作为输出。
30.如权利要求26所述的方法,其中所述低通滤波步骤还包括进一步抽取所述压缩采样数据流以产生压缩采样数据流的步骤。
31.如权利要求30所述的方法,其中所述低通滤波步骤还包括在将所述压缩采样数据流提供到所述存储部件之前将所述低通滤波器的增益调节为在DC时为1的步骤。
32.一种显示从采样电信号中导出的重叠波形图像的方法,包括以下步骤:使用峰值检测压缩方案压缩所述采样电信号,以产生所述采样电信号的背景版;使用抽取/低通滤波方案压缩所述采样电信号,以产生所述采样电信号的前景版;显示具有默认强度等级的所述前景版;以及显示具有可变强度等级的所述背景版。
33.如权利要求32所述的方法,其中所述背景版显示步骤包含以下步骤:用降低的强度显示邻近所述前景版像素的所述背景版像素,在所述背景版像素距所述前景版像素越来越远时,逐渐增加所述背景版像素的强度。
34.如权利要求32所述的方法,其中所述背景版显示步骤包含以下步骤:使用与显示所述前景版像素所用的不同亮度显示所述背景版像素,其中亮度包括灰度、色调和/或饱和度。
35.如权利要求32所述的方法,其中所述背景版显示步骤包含以下步骤:在从零到预定最大值改变所述背景版像素的强度的第一范围上调节用户控制。
36.如权利要求35所述的方法,其中所述前景版显示步骤包含以下步骤:在从默认值到最大饱和值改变所述前景版像素的强度的第二范围上调节所述用户控制。
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