CN106896251B - 一种示波器带内平坦度的自动修正方法 - Google Patents

一种示波器带内平坦度的自动修正方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种示波器带内平坦度的自动修正方法，包括：确定带宽区间[0,Fend]被均匀离散成的份数M+1以及修正带宽使用的滤波器的阶数N；形成初始数组F＝{0,Fend/M,2×Fend/M,…,(M‑1)×Fend/M,M×Fend/M}，同时记录初始数组F中M+1个元素对应频点的幅值；选择频点中的基准点，并且将基准点的幅值记为Vbase，将M+1个幅值相对于基准点的幅值取对数20×lg(Vfm/Vbase)后，计算频点相对于基准点的增益值，形成新数组Y；调用matlab中函数gremez(N‑1,F,Y,w)，生成滤波器系数h；在FPGA内部实现线性相位有限脉冲响应滤波器。

Description

一种示波器带内平坦度的自动修正方法
技术领域
本发明涉及示波器技术领域，尤其涉及一种示波器带内平坦度的自动修正方法。
背景技术
现代电子信号的复杂性特别是带宽和非平稳特性的增长极为迅速，以扫频为主的频域测试仪器从测量原理上难以满足宽带、瞬态信号的实时测试要求，以示波器为代表的基于实时采样的时域仪器正在成为现代电子测试技术的主流发展趋势。目前示波器输入信号的带宽主要通过器件保证，前端模拟信号调理电路和ADC等带宽需要高于仪器设计的带宽数值，并且预留很多可以调整的参数，保证整体输入信号带宽内幅频特性曲线的平坦。当输入信号带宽较低时，器件容易选择并且电路分布参数对带宽内幅频特性曲线的影响较小，上述方法较容易实现。但是当示波器的带宽提升到几十GHz，电路分布参数对带宽内幅频特性曲线的影响较大时，传统的依靠模拟器件调整带宽平坦性的方式很难实现。因此，需要一种示波器带内平坦度的自动修正方法，以解决现有技术中存在的上述问题。
发明内容
本发明提供一种示波器带内平坦度的自动修正方法，提高宽带示波器带宽平坦性调整的灵活性。
本发明采用的技术方案是：
一种示波器带内平坦度的自动修正方法，其包括：依据示波器的带宽Fend，确定带宽区间[0,Fend]被均匀离散成的份数M+1以及修正所述带宽Fend使用的滤波器的阶数N，并且N的取值为奇数；根据所述带宽区间[0,Fend]被均匀离散成的份数M+1，形成初始数组F＝{0,Fend/M,2×Fend/M,…,(M-1)×Fend/M,M×Fend/M}，同时记录所述初始数组F中M+1个元素对应频点的幅值Vfm；选择所述M+1个元素对应频点中某一个频点作为基准点Fbase，并且将所述基准点Fbase的幅值记为Vbase，将所述M+1个元素对应频点的幅值Vfm相对于所述基准点Fbase的幅值Vbase取对数20×lg(Vfm/Vbase)后，计算所述M+1个元素对应频点相对于所述基准点Fbase的增益值，形成新数组Y＝{20×lg(Vf0/Vbase),20×lg(Vf1/Vbase),…,20×lg(VfM-1/Vbase),20×lg(VfM/Vbase)}；调用matlab软件中的函数gremez(N-1,F,Y,w)，生成线性相位有限脉冲响应滤波器的滤波器系数h，所述滤波器系数为对称结构：h(0)＝h(N)，h(1)＝h(N-1)，……，其中，N为所述阶数，F为所述初始数组，Y为所述新数组，w是所述M+1个元素对应频点的权重系数，取值为1；根据所述滤波器系数，在FPGA芯片内部实现所述线性相位有限脉冲响应滤波器，输出带宽平坦后的数据流。
优选地，所述根据所述滤波器系数，在FPGA芯片内部实现所述线性相位有限脉冲响应滤波器，输出带宽平坦后的数据流，具体包括：对滤波器的输入信号进行偏移二进制转补码，然后将所述输入信号与所述滤波器系数相乘后求和得到累加数据，再将所述累加数据进行位数处理；将所述补码转换回所述偏移二进制码，完成所述输入信号的整个带宽的滤波补偿。
优选地，所述将所述累加数据进行位数处理，具体包括：设定所述滤波器的输入信号为8bit数据流，所述累加数据为10位，将所述累加数据压缩为8位；舍弃所述累加数据的低7位后，对所述累加数据进行判断；如果所述累加数据大于127，则输出127，如果所述累加数据小于-127，则输出为-127。
采用上述技术方案，本发明至少具有下列效果：
本发明提供的示波器带内平坦度的自动修正方法，利用宽带输入信号已经数字化、高速处理芯片FPGA等资源，计算滤波系数，利用FPGA芯片内部数字补偿的方式完成宽带示波器的带宽平坦化，避免通过前端模拟信号调理电路调整的复杂性，降低了数字示波器的生产调试成本，提高了宽带示波器的带宽调整的灵活性。
附图说明
图1为本发明示波器带内平坦度的自动修正方法的流程图；
图2为图1所示自动修正方法的一个优选实施例中FPGA实现线性相位有限脉冲响应滤波器的示意图；
图3为图2所示FPGA实现线性相位有限脉冲响应滤波器中实现乘累加的示意图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明进行详细说明如后。
本发明提供的示波器带内平坦度的自动修正方法可以提高宽带示波器带宽平坦性调整的灵活性，下面将详细地描述本发明的示波器带内平坦度的自动修正方法及其各个步骤。
如图1所示，本实施例的示波器带内平坦度的自动修正方法，包括：步骤S10：依据示波器的带宽Fend，确定带宽区间[0,Fend]被均匀离散成的份数M+1以及修正带宽Fend使用的滤波器的阶数N，并且为了减小滤波器的阶数，N的取值为奇数。步骤S20：根据带宽区间[0,Fend]被均匀离散成的份数M+1，形成初始数组F＝{0,Fend/M,2×Fend/M,…,(M-1)×Fend/M,M×Fend/M}，同时记录初始数组F中M+1个元素对应频点的幅值Vfm。步骤S30：选择M+1个元素对应频点中某一个频点作为基准点Fbase，并且将基准点Fbase的幅值记为Vbase，将M+1个元素对应频点的幅值Vfm相对于基准点Fbase的幅值Vbase取对数20×lg(Vfm/Vbase)后，计算M+1个元素对应频点相对于基准点Fbase的增益值，形成新数组Y＝{20×lg(Vf0/Vbase),20×lg(Vf1/Vbase),…,20×lg(VfM-1/Vbase),20×lg(VfM/Vbase)}。步骤S40：调用matlab软件中的函数gremez(n-1,F,Y,w)，生成线性相位有限脉冲响应滤波器的滤波器系数h，滤波器系数为对称结构，即h(0)＝h(N)，h(1)＝h(N-1)，……，其中，N为阶数，F为初始数组，Y为新数组，w是M+1个元素对应频点的权重系数，取值为1。步骤S50：根据滤波器系数，在FPGA芯片内部使用逻辑资源实现线性相位有限脉冲响应滤波器，输出带宽平坦后的数据流。
本发明的自动修正方法，充分利用数字示波器已经将宽带输入信号进行了数字化，高速处理芯片FPGA等资源，提高了宽带示波器的带宽平坦性调整的灵活性。
其中，步骤S50中，在FPGA芯片内部实现n阶线性相位有限脉冲响应滤波器的实现公式如下：其中x(n)是输入信号，h(i)为滤波器系数，滤波器输出的y(n)为N+1次乘法和N次加法的计算结果。
作为优选地，根据滤波器系数，在FPGA芯片内部使用逻辑资源实现线性相位有限脉冲响应滤波器，输出带宽平坦后的数据流，具体包括：对滤波器的输入信号进行偏移二进制转补码，然后将输入信号与滤波器系数相乘后累加求和得到累加数据，再将累加数据进行位数处理；将补码转换回偏移二进制码，完成输入信号的整个带宽的滤波补偿。结合图2和图3所示具体如下：
S0、偏移二进制转补码：将输入的每个8bit偏移二进制码转换为对应的补码。转换规则，偏移二进制码转换为补码的规则是其最高位求反。
S1、乘累加，参见图3所示FPGA芯片内部实现线性相位有限脉冲响应滤波器中乘累加实现示意图所示：在工程实现中，滤波器共有N+1个抽头系数，如果直接实现，需要N+1个的乘法器。FPGA实现乘法器，需要大量的逻辑资源，可以利用滤波器系数对称的特性，通过使用加法器，减少一半的乘法器的数量，即需要使用个乘法器，乘法器的输出再送入并行加法器，获得最终的滤波结果。
S2、位数处理：位数处理主要包括数据舍位及溢出处理。
S3、补码转偏移二进制码：将补码转换回偏移二进制码，它是偏移二进制码转补码的逆过程，输出的数据流即完成整个带宽的滤波补偿。
进一步地，将累加数据进行位数处理，具体包括：设定滤波器的输入信号为8bit数据流，累加数据为10位，将累加数据压缩为8位；舍弃累加数据的低7位后，对累加数据进行判断；如果累加数据大于127，则输出127，如果累加数据小于-127，则输出为-127。
滤波器的输入为ADC的输出，假设为8bit的数据流，经过滤波器的乘累加运算后，累加数据扩展为10位，为了满足后续数据的接口需求，需要将这10位的结果再压缩为8位。考虑到滤波器系数量化时已经乘了128，因此这里可以先舍弃累加数据的低7位，然后对累加数据进行判断，如果累加数据大于127，则输出为127，如果累加数据小于-127，则输出为-127。
通过具体实施方式的说明，应当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图示仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。

Claims (3)

1.一种示波器带内平坦度的自动修正方法，其特征在于，包括：
依据示波器的带宽Fend，确定带宽区间[0,Fend]被均匀离散成的份数M+1以及修正所述带宽Fend使用的滤波器的阶数N，并且N的取值为奇数；
根据所述带宽区间[0,Fend]被均匀离散成的份数M+1，形成初始数组F＝{0,Fend/M,2×Fend/M,…,(M-1)×Fend/M,M×Fend/M}，同时记录所述初始数组F中M+1个元素对应频点的幅值Vfm；
选择所述M+1个元素对应频点中某一个频点作为基准点Fbase，并且将所述基准点Fbase的幅值记为Vbase，将所述M+1个元素对应频点的幅值Vfm相对于所述基准点Fbase的幅值Vbase取对数20×lg(Vfm/Vbase)后，计算所述M+1个元素对应频点相对于所述基准点Fbase的增益值，形成新数组Y＝{20×lg(Vf0/Vbase),20×lg(Vf1/Vbase),…,20×lg(VfM-1/Vbase),20×lg(VfM/Vbase)}；
调用matlab软件中的函数gremez(N-1,F,Y,w)，生成线性相位有限脉冲响应滤波器的滤波器系数h，所述滤波器系数为对称结构：h(0)＝h(N)， 其中，N为所述阶数，F为所述初始数组，Y为所述新数组，w是所述M+1个元素对应频点的权重系数，取值为1；
根据所述滤波器系数，在FPGA芯片内部实现所述线性相位有限脉冲响应滤波器，输出带宽平坦后的数据流。
2.根据权利要求1所述的示波器带内平坦度的自动修正方法，其特征在于，所述根据所述滤波器系数，在FPGA内部实现所述线性相位有限脉冲响应滤波器，输出带宽平坦后的数据流，具体包括：
对滤波器的输入信号进行偏移二进制转补码，然后将所述输入信号与所述滤波器系数相乘后求和得到累加数据，再将所述累加数据进行位数处理；
将所述补码转换回偏移二进制码，完成所述输入信号的整个带宽的滤波补偿。
3.根据权利要求2所述的示波器带内平坦度的自动修正方法，其特征在于，所述将所述累加数据进行位数处理，具体包括：
设定所述滤波器的输入信号为8bit数据流，所述累加数据为10位，将所述累加数据压缩为8位；
舍弃所述累加数据的低7位后，对所述累加数据进行判断；
如果所述累加数据大于127，则输出127，如果所述累加数据小于-127，则输出为-127。
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