[发明专利]一种数字示波器带宽增强方法

说明书

技术领域

本发明属于数字示波器技术领域，更为具体地讲，涉及一种数字示波器带宽增强方法。

背景技术

在通讯、数据存储技术等领域中，高速、复杂信号的变化，对数字示波器的采集能力提出了更高的要求。而数字示波器对高速、复杂信号的采集依赖于高带宽、高采样率，还原度依赖于数字示波器采集通道的频率响应。

受器件离散性和工艺的限制，随着数字示波器带宽的增高，在硬件部分保持良好的幅频响应和相频响应越来越困难，导致了数字示波器测量带宽的下降。虽然峰值网络能有效的提高数字示波器带宽，但信号还原代价高，尤其是在脉冲响应以及频响的平坦度的测试中。同时系统噪声、频域响应、时域响应三者是相互制约的，提高系统带宽，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。从模拟角度修正示波器带宽，会导致三者的关系进一步恶化。因此，在硬件受限的前提下，研究一种数字带宽增强方法势在必行。

数字带宽增强方法使用数字滤波器对数字示波器采集后的序列进行信号处理，对通道响应进行校正，提高信号的保真度，等效于增强了采集系统的测量带宽。数字滤波器可以理解为一个计算或算法，将输入数字时间序列信号转换为输出数字时间序列信号，并在转换过程中，使信号按预定的形式变化。

1、数字带宽增强基本原理

数字示波器对信号的还原能力取决于采集通道的脉冲响应方式，表征了数字示波器对输入激励不同频率成份的幅度和相位的表现，对应于数字示波器的幅频响应和相频响应。

1.1、数字示波器的幅频特性

在幅度响应方面，由于采集系统前端模拟调理部分以及ADC器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，呈滚降趋势，尤其对高于-3dB带宽的频谱成份更是表现出急剧滚降特征。目前业内主流高性能示波器主要有两种响应类型，分别是平坦化响应(Flat Response)和高斯响应(Gaussian Response)，图1所示为1GHz带宽示波器幅频响应。

如图1所示，平坦化响应有两大优点。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，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。

高斯响应对超过-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。

1.2、示波器的相频特性

除了幅度响应外，另外一个紧密相连概念是相位频响。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。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。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。

1.3、数字带宽增强

在信号高频段，模拟采集通道中高频继电器电阻网络、运算放大器、可变增益调节模块以及ADC模块中各个环节的增益难免会有一定的衰减，均会对通道响应产生影响，最终响应是各个环节频率响应的叠加。同时随环境参数、老化等因素的影响，通道响应也会发生改变，因此需要根据实际的系统通道频域响应实现对频率响应的有效补偿，保证对信号的无失真还原。

数字带宽增强是一种在保持硬件不变的前提下，运用数字后处理技术，以数字带宽增强滤波器增强采集系统测量带宽的方法，以提高采集系统的信号还原性。

图2是数字带宽增强滤波器设计的基本原理框图。

首先，数字带宽增强滤波器是根据实际的系统通道频率响应进行补偿的，保证对信号的无失真还原。需要注意的是，各通道响应不但与实际通道器件参数有关，还与通道衰减档位的设置以及系统环境有关，因此，首先需要测定各条件下采集系统的通道频率响应，针对不同的通道频率响应进行带宽增强滤波器的设计。