CN101706522A - 一种数字示波器通道带宽补偿装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字示波器通道带宽补偿装置，包括具有与输入通道频率响应互逆的幅频特性通道补偿滤波器对高速模数转换器输出的波形数据进行频率响应补偿后输出；根据所需通道要求的指标进行设计的低通滤波器用于频率响应补偿后的波形数据进行二次滤波，将输入通道响应补偿为理想通道响应，输入通道频率响应得到了修正，从而提高了通道的带宽。本发明是对输入通道数模转换后的数字波形数据进行频率补偿，因而，在对数字示波器通道带宽补偿，不会引入信号过冲。

Description

一种数字示波器通道带宽补偿装置

技术领域

本发明涉及数字存储示波器技术领域，具体来讲，涉及一种用于数字示波器通道带宽补偿装置。

背景技术

数字示波器通过高速模数转换器，即ADC把连续变化的被测模拟信号转换为离散的波形数据，并对该波形数据进行存储、处理，然后重现波形，使得用户能够在时域上直观地观察被测信号。

随着通讯、数据存储领域中高速、复杂信号的变化，对数字示波器的分析能力提出了更高的要求，而数字示波器对高速信号分析能力依赖于高带宽、高采样率。

数字示波器的采样率以平均每2～2.5年的速度成倍增长，而通道带宽却因模拟器件的限制，平均每4年才实现成倍增长。

虽然峰值网络能有效的提高示波器带宽，但信号还原代价高，尤其是对脉冲响应以及频响平坦度的测试。然而系统噪声、频域响应、时域响应三者是相互制约的，峰值网络提高通道带宽，会对输入信号引入噪声；过度的频域补偿也会对时域信号引入过冲或阻尼，因而，从模拟角度补偿示波器带宽，会导致三者的关系进一步恶化。

同时，信号保真度是评价数字示波器性能最主要的衡量标准，而脉冲响应方式则是数字示波器高保真还原信号真实面目的非常重要的环节。信号保真度定义为显示在数字示波器屏幕上的波形与被测波形间的拟合程度，而脉冲响应方式表征示波器系统对输入激励不同频率成份的幅度和相位的表现。信号的还原度依赖于数字示波器的通道带宽，因此，需要提高数字示波器的通道带宽。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中数字示波器通道带宽补偿装置的不足，提供一种不会引入过冲的数字示波器通道带宽补偿装置。

为实现上述目的，本发明的数字示波器通道带宽补偿装置，其特征在于，包括：

一通道补偿滤波器，其输入连接到输入通道高速模数转换器的输出端，用于接收输入通道高速模数转换器输出的波形数据，并进行频率响应补偿后输出；所述的通道补偿滤器具有与输入通道频率响应互逆的幅频特性；

一低通滤波器，其输入连接到通道补偿滤器输出端，用于将通道补偿滤波器行频率响应补偿后的波形数据进行二次滤波，实现输入通道的理想通道响应，二次滤波后的波形数据送到数字示波器显示处理系统进行显示；所述的低通滤波器的幅频特性根据所需通道要求的指标进行设计。

本发明的发明目的是这样实现的。

1、数字示波器的幅频特性

由于数字示波器输入通道前端模拟部件呈现出低通滤波特性，对输入信号的不同频率成份的通过能力不一致，高频分量的幅度衰减率要大于低频分量衰减率，因此，幅频响应曲线不是线性变换，而是呈滚降(RollOff)趋势，尤其对高于示波器-3dB带宽的频谱成份更是表现出急剧滚降特征.根据幅度响应曲线的不同滚降方式，数字示波器输入通道主要有两种幅频响应类型，分别是平坦化响应(Flat Response)和贝塞尔响应(Bessel Response)。

平坦化响应有两大优点。第一是信号在-3dB带宽之前的幅频响应较为平坦，衰减较小，可进行非常精确的测量。第二是超过-3dB带宽后，频响曲线急剧下降，高频成份被有效截止，通过的低频成分都能被后端ADC高保真采样，因而可大大减小数字示波器中的采样混叠机会，降低了波形失真度。平坦化响应示波器尽管有这些突出的优点，但也有非常显著的缺点：由于平坦响应截止了大量的高频谐波，因而表现出比较大的过冲和振铃现象，尤其是在信号上升时间很快，远远超过示波器可精确测量范围时，这种负面效应更为突出。

贝塞尔幅频响应对超过-3dB带宽的高频成分衰减速率相对较慢，因而表现出较小过冲和振铃的较好脉冲效应。但由于在-3dB带宽内对信号幅度响应相对来说不是很平坦，而且在-3dB带宽外会拖出一条较长的尾巴，这样使得后面的ADC需要更高的采样率才能确保不发生频率混叠现象。

2、频率响应补偿基本原理

在本发明中，根据数字示波器输入通道频率响应的幅频特性，设计了一个与输入通道频率响应互逆的幅频特性的通道补偿滤器连接到输入通道高速模数转换器的输出端，将输入通道频率响应综合成增益为常数的直通滤波器后，再根据所需通道响应的指标要求设计一个低通滤波器进行二次滤波，实现数字频域响应补偿的数字信号处理系统。

其基本步骤是：

(1)、首先，我们利用通道响应测试方法，获取数字示波器输入通道幅频特性；

(2)、经过根据输入通道频率响应的逆来设计通道补偿滤波器，则步骤(1)与步骤(2)的综合响应为一幅值增益为常数的直通器；

(3)、根据所需输入通道响应的指标要求设计一个低通滤波器，则实现数字示波器输入通道的理想通道响应，实现了对输入通道频域响应的修正。

通道高速模数转换器输出的波形数据经过通道补偿滤波器进行频率响应补偿，低通滤波器按理想通道响应进行低通滤波后，频率响应得到了修正，从而提高了通道的带宽。本发明是对输入通道数模转换后的数字波形数据进行频率补偿，因而，在对数字示波器通道带宽补偿，不会引入信号过冲。

附图说明

图1是本发明数字示波器通道带宽补偿装置的原理框图；

图2是图1所示输入通道、通道补偿滤器、低通滤波器频率响应的幅频曲线示意图；

图3是图1所示输入通道一具体实施方式下归一化处理后的频率响应的幅频曲线图；

图4是一种具体实施方式的通道补偿滤波器频响幅频曲线图；

图5是一种具体实施方式的低通滤波器频响幅频曲线图；

图6是通道带宽补偿前后的脉冲响应曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当采用已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这儿将被忽略。

图1是本发明数字示波器通道带宽补偿装置的具体应用原理框图。

如图1所示，数字示波器输入通道前端101输出调理后的被测模拟信号给高速模数转换器102，即ADC把连续变化的被测模拟信号转换为离散的波形数据。高速模数转换器102输出的波形数据送入通道带宽补偿装置3中，通道带宽补偿装置3中的通道补偿滤波器301接收到波形数据，并进行频率响应补偿后输出。

如图2所示，由于通道补偿滤器301具有与输入通道前端101、高速模数转换器102构成的输入通道频率响应互逆的幅频特性，对输入通道前端101、高速模数转换器102、通道补偿滤器301对被测模拟信号的综合响应为一幅值增益为常数的直通器。

波形数据进行频率响应补偿后输出到低通滤波器302中，低通滤波器302的幅频特性根据所需通道要求的指标进行设计。低通滤波器302将通道补偿滤波器行频率响应补偿后的波形数据进行二次滤波，实现输入通道的理想通道响应。二次滤波后的波形数据送到数字示波器显示处理系统2进行显示。

实施例

1、输入通道频率响应幅频特性的获取

在具体实施过程中，首先需要获取输入通道的频率响应幅频特性，通常可以使用以下两种方法：

1)、正弦扫描

对输入通道进行正弦激振，保持激振力的幅值恒定不变，按一定规律不断改变激振频率，并拾取输入通道的振动响应，从而得到输入通道的频率响应幅频曲线。

2)、脉冲激振

用脉冲信号对输入通道进行激振，将输入通道的输入输出进行傅里叶变换，即可计算出其频率响应幅频曲线。

使用脉冲激振方法获取系统通道频率响应：

$H_c=\frac{H_m}{H_s}---\left(1\right)$

其中，H_c为输入通道频率响应，H_m为输入通道输出信号的傅里叶变换，H_s为输入通道输入信号的傅里叶变换。为减小系统噪声对测试的影响，系统通道频率响应的获取为多次测试结果的平均。

2、通道补偿滤波器的设计

在具体实施过程中，在获得输入通道的频率响应幅频特性后，就可以开始进行通道补偿滤波器的设计，通道补偿滤器具有与输入通道频率响应互逆的幅频特性。

将输入通道频率响应幅频特性描述为一个N点的系统，并对频率做归一化处理。在本实施例中，归一化处理后的结果如图3所示。

采用输入通道频响幅频特性作为参考，设计一个频响幅频特性与之相逼近的最优滤波器，可以构造误差函数为：

e(k)＝H(k)-h_d(k)                    (2)

其中，H(k)为所设计最优滤波器的频响幅频特性，h_d(k)为输入通道频响幅频特性。最优滤波器的频响幅频特性设计目标是使得误差函数的均方误差最小，即最优滤波器的性能函数最优，达到逼近的目的，即代价函数J最小：

J＝E{e²(k)}＝min                    (3)

结合式(4)，式(3)可以写为如下形式：

$J=E\left\{e^2\left(k\right)\right\}$

$=\frac{1}{k}\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{(H\left(k\right)-h_d\left(k\right))}^2=\min ---\left(5\right)$

对式(3)，采用最小二乘法(Least Squares)来实现最优滤波器的设计。即通过均方误差最小的约束条件，利用LMS算法进行迭代求解，获取最优滤波器的传递函数系数a_n、b_m，达到设计目标。

应用LMS算法对式(5)进行求解，即代价函数J满足对a_n、b_m的偏导为0：

$\frac{\∂J}{{\∂a}_n}=0$ (6)

$\frac{\∂J}{{\∂b}_m}=0$

其中：

$\frac{\∂J}{{\∂a}_n}=\frac{2}{k}\underset{k}{\mathrm{\Σ}}(H\left(k\right)-h_d\left(k\right))\frac{\∂}{{\∂a}_n}\left|H\left(k\right)\right|---\left(7\right)$

$\frac{\∂J}{{\∂b}_m}=\frac{2}{k}\underset{k}{\mathrm{\Σ}}(H\left(k\right)-h_d\left(k\right))\frac{\∂}{{\∂b}_m}\left|H\left(k\right)\right|---\left(8\right)$

H(k)的模可以使用下式进行求解：

$\left|H\left(k\right)\right|=\sqrt{\frac{{\mathrm{\α}}^2\left(\mathrm{\ω}\right)+{\mathrm{\β}}^2\left(\mathrm{\ω}\right)}{r^2\left(\mathrm{\ω}\right)+{\mathrm{\δ}}^2\left(\mathrm{\ω}\right)}}---\left(9\right)$

其中，α(ω)、β(ω)为最优滤波器的传递函数系数a_n的实部和虚部，γ(ω)、δ(ω)为最优滤波器的传递函数系数b_m的实部和虚部。

$\mathrm{\α}\left(\mathrm{\ω}\right)=\underset{i=0}{\overset{\mathrm{floor}\left(\frac{N-1}{2}\right)}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{2i}{\mathrm{\ω}}^{2i}{(-1)}^i---\left(10\right)$

$\mathrm{\β}\left(\mathrm{\ω}\right)=\underset{i=0}{\overset{\mathrm{floor}\left(\frac{N}{2}\right)-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{2i+1}{\mathrm{\ω}}^{2i+1}{(-1)}^i---\left(11\right)$

$\mathrm{\γ}\left(\mathrm{\ω}\right)=\underset{i=0}{\overset{\mathrm{floor}\left(\frac{N-1}{2}\right)}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{2i}{\mathrm{\ω}}^{2i}{(-1)}^i---12$

$\mathrm{\δ}\left(\mathrm{\ω}\right)=\underset{i=0}{\overset{\mathrm{floor}\left(\frac{N}{2}\right)-1}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{2i+1}{\mathrm{\ω}}^{2i+1}{(-1)}^i---\left(13\right)$

则代价函数J满足对a_n、b_n的偏导为：

式(16)、(17)、(15)的求解可以使用迭代求解，最常用的迭代求解法为最速下降算法。最速下降法使用梯度控制迭代步长，其步长较小，能保证收敛于最小偏差。

使用最速下降法对式(18)进行求解后可以获得最优滤波器的传递函数系数，再将分子、分母的位置对调，则可以得到通道响应补偿滤波器。

在本实施中，最优滤波器的传递函数系数如下：

除了幅度频响应外，另外一个紧密相连概念是相位频响。输入信号从数字示波器前端输入传递到屏幕显示之间，有很多模拟放大器构成一个放大器链，信号通过这些模拟器件需要一定的时间，或称为相位延迟(Delay)。不同频谱的信号在通过示波器内部通道时会产生不同的延迟，因而方波脉冲的不同谐波频谱的不同传播延迟会导致脉冲相位发生畸变，这种负面效应称为群延迟(GroupDelay)。对于较低频率信号，群延迟的破坏性效应可以忽略不计，随着频率越高，这种负面效应是不可逃避的问题。群延迟会使示波器的实际上升时间比标称值更慢，而且会带来更大的抖动噪底。在进行通道补偿滤波器的设计中，所设计的通道补偿滤波器是线性相位(Lines Phase)的，以保证对高频信号的相位频响。

通道补偿滤波器的设计是最复杂的部分，它不但与实际通道参数有关，同时还与通道衰减档位的设置有关，变化性强。因此，在本实施例中，补偿滤波器的设计过程中，采用自适应滤波器的设计方法。

在本实施例中，通道补偿滤波器频响幅频曲线如图4所示.其中，幅频特性曲线与图3中的幅频特性曲线互为逆；相频特性曲线则为直线，以达到所需的线性相位要求.

3、低通滤波器的设计

因不同的数字示波器响应方式会产生不同特征的被测阶跃脉冲波形。因此在后续低通滤波器的设计中，需要根据实际测试输入通道的需要进行合理设计。

在本实施例中，低通滤波器采用FIR低通数字滤波器。设计FIR低通数字滤波器常用的方法主要有窗函数法、频率取样法、等纹波逼近法等，在本实施例中，采用窗函数法进行设计。

为保证-3dB带宽外的高频成分呈现相对较慢衰减速率，表现出较小过冲和振铃等较好的脉冲效应，我们需要选用合理的窗函数来保证通道补偿效果。通常情况下，贝塞尔(Bessel)窗函数是较为合理的选择。

在本实施例中，基于贝塞尔窗函数设计的FIR低通滤波器幅频特性如图6所示。

4、通道带宽补偿验证

以输入为1MHz的快沿信号为例，利用等效采样技术进行采集，等效采样频率fs＝40GSPS，通过实际数据采集验证，得到通道带宽补偿前后信号对比情况，如图6所示。

从图6中可以得到，通道带宽补偿前输入信号上升时间为T1＝0.525ns，对应的带宽为B＝667MHz；通道带宽补偿后的上升时间为T2＝0.4ns，上升时间得到了提高，对应的带宽B＝870MHz，提高了系统DSP带宽。同时可以看出，基于数字信号处理的通道补偿技术，可以在不增加过冲的情况下，优化了系统的阻尼参数(ringing)，提高了系统带宽。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (5)

1.一种数字示波器通道带宽补偿装置，其特征在于，包括：

一通道补偿滤波器，其输入连接到输入通道高速模数转换器的输出端，用于接收输入通道高速模数转换器输出的波形数据，并进行频率响应补偿后输出；所述的通道补偿滤器具有与输入通道频率响应互逆的幅频特性；

一低通滤波器，其输入连接到通道补偿滤器输出端，用于将通道补偿滤波器行频率响应补偿后的波形数据进行二次滤波，实现输入通道的理想通道响应，二次滤波后的波形数据送到数字示波器显示处理系统进行显示；所述的低通滤波器的幅频特性根据所需通道要求的指标进行设计。

2.根据权利要求1所述的数字示波器通道带宽补偿装置，其特征在于，所述的通道补偿滤器采用输入通道频响幅频特性作为参考，设计一个频响幅频特性与之相逼近的最优滤波器，将最优滤波器的传递函数系数，分子、分母的位置对调，得到通道响应补偿滤波器传递函数系数，完成通道补偿滤器的设计。

3.根据权利要求2所述的数字示波器通道带宽补偿装置，其特征在于，所述的最优滤波器采用以下方法获得：

构造误差函数为：

e(k)＝H(k)-h_d(k)

其中，H(k)为所设计最优滤波器的频响幅频特性，h_d(k)为输入通道频响幅频特性；

使代价函数J最小：

$J=E\left\{e^2\left(k\right)\right\}$

$=\frac{1}{k}\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{(H\left(k\right)-h_d\left(k\right))}^2$

通过均方误差最小的约束条件，利用最小二乘法进行迭代求解，获取最优滤波器的传递函数系数a_n、b_m，获得最优滤波器。

4.根据权利要求1所述的数字示波器通道带宽补偿装置，其特征在于，所述的通道补偿滤器是线性相位的。

5.根据权利要求1所述的数字示波器通道带宽补偿装置，其特征在于，所述的低通滤波器为FIR低通数字滤波器，FIR低通数字滤波器采用贝塞尔窗函数法进行设计。

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