| 示波器中的DSP应用之——DSP把示波器性能带入新水平 发表于：08-07-18 最后更新时间：08-07-18 所属论坛：测试理论与设备校准 评论(0) | 完整回复 | 提交评论 | 打印此页 共1项,第1/1页 |
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John Pickerd，泰克公司高效能示波器产品线首席工程师 几十年来，实时示波器一直是电子器件设计和研发应用的中流砥柱。基于示波器的测量一直为航空和高清电视、蜂窝网络和笔记本电脑提供支持。示波器性能正不断提高，以迎接带宽和精度挑战。 但是，这些挑战正变得越来越难以解决。在理想情况下，测量仪器的带宽应该超过被观察的目标设备的带宽。但是，示波器性能的基本指标 – 模拟带宽与数字网络交换单元一样，受到各种技术的限制。这两种平台都使用速度最快的半导体器件，都利用最新的内部信号传输和连接技术，都以当前技术能够支持的最高速率运行，都依赖为特定任务量身定制的集成电路 ( 如示波器的高速模数转换器 ) ，提供远远高于标准器件中提供的性能。 鉴于这些实际情况，怎样才能把示波器性能提升到全新水平呢？怎样才能支持下一代技术进步呢？ 进入 DSP 答案是数字信号处理技术 (DSP) 。实践证明，使用 DSP 可以扩展、事实上是可以增强原始模拟带宽。 DSP 是一门古老的学科。它采用 sin x/x 内插形式，出现在每台现代数字实时示波器中。现在， DSP 已经成为把示波器带宽扩展到当前模拟极限之上、改善整体测量精度的激活工具。 当前示波器市场顶层包括一系列模型，提供了几千赫兹的带宽。带宽为 6 GHz 和 8 GHz 的仪器正在进入工程设计部门和研发实验室，更高的带宽很快也将出现。几乎所有这些超高带宽工具都依赖某种形式的基于 DSP 的频率扩展技术，实现额定的性能。 DSP 有什么作用 某些示波器专门使用 DSP 扩展带宽，而带宽则是任何示波器公认的指标。在最简单的形式中， DSP 创建滤波功能，抵消指定频率范围顶端的滚降。为了解这一概念，我们将依次简要回顾基础知识。 在理想情况下，示波器会在大多数指定带宽 ( 从 DC 开始 ) 中表现出相当平滑均匀的模拟频响特点，然后在接近频率上限时逐渐滚降。因此，带宽定义为频响幅度相对于 DC 幅度降低 3 dB 的频率。业内把它速记为“ 3 dB 点”。 图 1 是具有 4 GHz 实际模拟带宽的 DSO 的一对频响图。蓝色虚线定义了教科书中完美的带宽包络，红线则接近实际环境中的示波器频响曲线。  图 1: 模拟带宽为 4 GHz 的示波器的频响曲线 在每个地方，红线都偏离理想包络，偏差成为测量的一部分。例如， 1 GHz 和 2 GHz 之间的下降意味着在该频段内，测得的信号在显示屏上将显示得略小于实际幅度。为获得最佳的信号保真度，使这些偏差达到最小至关重要。 现在考虑一下 图 2 。这是同一部示波器的 DSP 扩展后的频响曲线，现在作为 5 GHz 示波器提供。 3 dB 点实际上位于 5 GHz ，注意频率轴已经重新定标。 4 GHz 边界以外发生的情况在很大程度上依赖 DSP 实现技术的质量。  图 2: DSP 把 4 Ghz 频响扩展到 5 GHz. DSP 频率扩展采用滤波的形式。每个工程师都知道，滤波器会引入相位位移及自己的非线性度。它采用非常灵敏的滤波器设计，产生可用的带宽扩展，同时最大限度地降低范围极限和其它地方的幅度畸变，并控制相位位移和失真。由于具有明显的优势， DSP 影响着测量结果。示波器开发人员面临的挑战是，保证 DSP 在广泛的应用中提供积极的优势，而消除不想要的负面效应。 FIR 和 DSP 很明显，设计人员实现稳定的、经过验证的滤波器结构，增强示波器中的带宽至关重要。正因如此，当前某些领先的高带宽 示波器 采用有限脉冲响应 (FIR) 滤波方案。与数字通信设备及其它地方常用的无限脉冲响应滤波器 (IIR) 不同， FIR 滤波器具 有稳定性保障，可以提供完美的线性相位响应。此外， FIR 滤波器最适合根据需要，在示波器通道整个带宽上使用相位和幅度平衡。 FIR 滤波器已经进行调谐，以实现最优的阶跃响应。每个制造商会使用专有的精确转函，但其通常基于改进的高斯算法。 使用 FIR 滤波器方法要求在制造过程中采用严格的校准流程。必须校准接收滤波的每种 示波器 通道和衰减器设置。基于测得的示波器通道响应的 FIR 滤波系数与支持的每种衰减器设置和通道有关。这些系数使用示波器运行时采集的数据以数学方式形成。其结果称为通道匹配，是指在所有通道中匹配得非常紧密的相位和幅度响应。 图 3 显示了 DSP 增强采集的非常快的脉冲的幅度和相位。 ( 在本例中，脉冲使用时域反射计 (TDR) 阶跃发生器生成。我们选择了 TDR 源，其上升时间约为 15 ps) 。 黄色轨迹表明了阶跃脉冲本身。黄色轨迹和洋红色轨迹是幅度和相位响应的 FFT 计算结果。注意幅度响应与图 1 所示的理想曲线的接近程度。相位响应也表明了指定范围内杰出的线性度。这些曲线表明 示波器能够在整个带宽范围内 ( 在本例中是 0 - 8 GHz) 保持幅度和相位精度。  图 3: 在 DSP 增强功能协助下测量的幅度和相位响应 DSP 具有哪些好处 扩展频率只是设计精良的 DSP 滤波器可以为示波器带来的众多优势之一，其它好处包括： • DSP 一般可以“清理”整个幅度响应包络，最大限度地减少与理想曲线的偏差。类似的，它可以在整个传输频带内实施更加线性的相位响应。 • 它可以在多条通道中精确地比较信号。由于每条通道在出厂时都使用自己的永久滤波系数专门进行校准，因此不同通道之间相位和幅度响应匹配程度非常紧密。仔细看一下 图 4 ：它表明了在 DSP 流程帮助下，四条通道采集同一个信号。我们几乎分辨不出时域差异。  图 4: 如这个 4 通道显示屏所示， DSP 可以保证通道匹配非常紧密。 不同通道之间的这种一致性比乍看起来还要重要。当然，它可以防止在拥有多条通道或通路的设备测试中引入测量误差 ( 测量引入的偏移 ) 。它还可以最大限度地降低采用仪器数学运算功能的差分测量中的偏移。但同样重要的是，优秀的 DSP 实现方案将在采用该算法的所有仪器中 实现同样的一致性。 这意味着 DSP 增强的 示波器 可以作为工程部门电路检验测试、产品工程一致性测试和制造生产测试中通用的仪器。 DSP 可以帮助消除整个企业中采用不同仪器所带来的麻烦。 • 它可 以改善示波器的 上升时间 灵敏度及上升时间测量精度 。 • 由于杰出的幅度和相位线性度，在使用示波器的频谱采集功能时， DSP 滤波可以支持更加精确的频域测量。 • D SP 滤波可以实现更加急剧的眼图。它去掉了噪声、抖动和假信号，降低了过冲数量。图 5a 和图 5b 中的 5 Gb/s 眼图说明了这一结果。 图 5a 中的部分边沿很危险地接近了模板区域。 图 5b 中的信号边沿定义得比较好，一直明确保持在一致性模板区域内。  图 5a  图 5B 图 5a 和图 5B: DSP 增强的眼图 (5b) 的噪声和抖动较低，并使眼图超限达到最小。 DSP 的另一面 我们已经看到优质 DSP 实现方案可以为示波器带来的好处。它可以提供更加干净、更加一致的信号采集，在通道之间可以实现统一的结果。但许多用户只关心 DSP 增强仪器为其提供的带宽。例如，处理快速串行总线的用户必须使用速度最快的示波器。今天，这意味着可以在 DSP 的协助下实现仪器的最大带宽。 示波器用户质疑 DSP 及其增加的带宽是否会给仪器频响大概的线性模拟部分带来负面影响，这一点无可厚非。 DSO 必须能够在公布的容限内、在任何测量条件下实现声称的全部带宽。这正是同时采用模拟采集技术和数字采集技术的示波器厂商受到的报应。由于每个厂商都以不同的方式实现 DSP ，因此自然并不是所有 DSP 实现技术都是完全一样的。 可以看到，如果 DSP 实现技术没有充分考虑取样速率等变量，那么将影响幅度一致性。简而言之，幅度会随着取样速率变化。 DSO 以许多不同的取样速率工作，以适应各种各样的信号、显示和测量。但是，大多数 DSO 实际上以最大的取样时钟速率取样，而不考虑选择的水平频率 ( 扫描 ) 范围。为实现低于最大值的取样速率， DSO 会 “丢弃” 样点，而不是改变时钟频率。“丢弃”是一种流程，在这种流程中，将丢掉多余的样点，以获得与降慢时钟实现的同样的净“取样速率”。这一流程采用复杂的公式，但如果设计得当，这种方法可以获得与降低时钟速率同样的效果。 在理论上，实际模拟频响的幅度不受“丢弃”流程的影响。但某些 DSP 结构可能会在模拟频段内引起一定的影响。 图 6a 和图 6b 比较了 6 GHz DSO 以两种不同取样速率捕获同一个 5.9 GHz 信号时的频响。 图 6a 显示了 5 GS/s 采集结果， 图 6b 显示了使用 20 GS/s 速率采集 同一 信号后的结果。 图 6a 中的轨迹是抑制的轨迹，尽管其没有改动垂直 ( 伏 / 格 ) 设置。似乎 DSP 方案没有预测到希望以低取样速率查看快速信号的用户也想分析其行为的特点。  图 6a  图 6b 图 6a 和 6b: 这两个图显示的是同一个 5.9 GHz 信号，但图 6a 试图以 5 GS/s 取样速率捕获信号包络，而图 6b 则采用 20 GS/s 取样速率。某些 DSP 结构在较低的取样速率时会产生误导性读数。 在观察信号时， 示波器 用户在多个频率范围内频频切换，他们先查看长期包络的形状，然后检查各个波形周期，然后可能要 计算 一串数据位的数量。为此，用户将看到幅度在不同范围之间明显变化。 但是 ，在只使用一个范围测量时，即标称信号幅度时，用户可能会忽略存在的差异。这可能会产生误导性的测量结果，这一结果根本不同于信号的实际值。 类似的， DSP 可能会影响 示波器 的等时 (ET) 模式，在使用高 ET 取样速率采集时使眼图衰减和失真。另一个潜在的负面效应是幅度响应不一致，幅度响应随触发源选择而变化。 所有这些效应都会明显影响测量精度，而不仅限于图 2 所示的带宽包络的扩展部分。它们是影响深远的失真，会影响仪器频率范围内任何地方进行的测量。 其它非线性度 ( 如异常幅度 ) 可能会发生在 DSP 扩展的范围内；某些 示波器已经表现出在接近 3 dB 点时幅度显著提高。 完善的 DSP 实现技术可以避免所有这些缺点。资深工程师将略过迷人的带宽指标，保证 示波器在日常使用中提供可靠的结果 。 DSP 规则的部分例外 如果设计良好， DSP 增强技术可以使大多数高速测量受益。但在某些情况下，最好“关掉” DSP 。 某些机构可能会首选使用自己的内部 DSP 工具，处理采集的波形数据。在这些情况下，最好在流程中使用没有滤波的“原始”数据。当然，其前提是示波器允许关闭 DSP 功能。 类似的，某些测量程序使用偏置电压，把小的波形幅度细节分布到示波器屏幕的整个垂直跨度内。这会过分驱动输入放大器，导致某些失真。尽管这在某些情况下是可以容忍的，但 DSP 会试图校正失真，使结果变得模糊。因此，在这些情况下，常用作法是关闭 DSP 。 DSP 的未来发展方向是什么？ DSP 还在广泛应用。展望未来，使用 DSP 增强带宽的基本前提没有变化。业内不断提升的带宽需求将继续在示波器的不断演变中发挥决定作用。 保守地讲，模拟带宽和 DSP 增强性能仍将不断并行提高，双方不可能隔裂发展 ( 或更准确地说，不应该隔裂发展 ) 。仪器天生的模拟带宽是 DSP 频率扩展必须赖以生存的基础。这种基本带宽依赖着探测、垂直输入放大和模数转换领域中优秀的模拟工程设计。 在底层技术允许时， DSP 技术也将发展。 示波器用户将更加熟悉 DSP 能够做到的和不能做到的，而且其需要的不仅仅是带宽。 示波器创新人员将把重点放在 DSP 能够提供的广泛的性能优势上 … 并 将继续推进带宽边界，以满足用户需求。 |
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