DSP濾波器用于擴展數(shù)字化儀器性能分析

相位校正

數(shù)字信號通常由基波和大量諧波組成，數(shù)字測量系統(tǒng)除了保證被測信號的幅度—頻率響應之外，對于相位—頻率響應亦不應引入相位延遲。由于數(shù)字示波器的硬件往往使高頻諧波產(chǎn)生相移，結果是信號的群延遲增加。為了消除群延遲導致信號失真，只有提高儀器的帶寬或由DSP濾波器作相位校正，顯然后者是最經(jīng)濟有效的辦法。借助與幅度平整使用的FIR濾波器的相似設計，不難使重建波形的群延減小，使被測高速數(shù)字波形的瞬態(tài)失真保持在最低限值以內(nèi)。

噪聲降低

根據(jù)白噪聲的廣譜分布特性，數(shù)字測量系統(tǒng)的帶寬越高則背境噪聲越大，使用多次平均或DSP濾波器可明顯降低背境噪聲，對實時數(shù)字示波器來說，只有DSP濾波器是可行的辦法。但是，F(xiàn)IR濾波器在降低噪聲的同時，也導致實時帶寬的減小，因此，設計工程師必須在噪聲與帶寬之間作出折衷。

帶寬提升

如上所述，使用Sinx函數(shù)的波形重建可獲得平滑下降的頻率特性，不會產(chǎn)生混淆頻率，但-3dB帶寬只有取樣頻率的1/4(BW=1/4fs)，而且在奈奎斯特頻率fN至取樣頻率fs之間還有高頻分量存在(圖2中的斜線部分)。數(shù)字示波器靈巧運用提升高頻幅度的DSP濾波器，與原來sinX函數(shù)的平滑下降幅度相加，形成了接近磚墻型的高頻下降頻率響應曲線，使-3dB帶寬得到擴展。如圖4所示，下面是sinX/X曲線，上面是帶寬提升濾波器曲線，中間是補償后的頻率響應曲線，補償后的曲線使-3dB帶寬增加，形狀更像磚墻。為了明確區(qū)分數(shù)字示波器由硬件獲得的sinX函數(shù)頻響特性和由DSP濾波器提升的頻響特性，將前者標為數(shù)字示波器模擬帶寬，后者稱為DSP帶寬。顯而易見，DSP帶寬的擴展導致背境噪聲的增加，如何綜合平衡帶寬與噪聲的取舍，將由設計工程師視被測信號而定。一般情況下，儀器供應商為用戶提供多種DSP帶寬作為選項，在保證模擬帶寬的前提下，獲得對被測信號最有利的DSP帶寬。

DSP濾波器的應用實例

DSP濾波器在數(shù)字測量儀器的幾項應用實例：

儀器業(yè)界中，使用DSP改善測試儀器高頻特性的供應商首推安捷倫公司，它在高檔網(wǎng)絡分析儀、頻譜分析儀中成功地引入DSP帶寬提升濾波器。在時域反射計最早采用DSP帶寬提升技術將階躍脈沖的上升邊沿“標稱化”，使隧道二極管的重建濾形更快速、噪聲降低、抖動減小，從而提高測量反射波和反射系數(shù)的讀數(shù)準確度。時域反射計的“標稱化”技術至今還被儀器業(yè)界所采用，加上時域反射計可使用重復取樣，更容易發(fā)揮DSP濾波器的特點。近幾年來，安捷倫擴大DSP濾波器技術至數(shù)字存儲示波器，例如54855A全面使用FIR數(shù)字濾波器，將模擬帶寬6GHz提高至DSP帶寬7GHz。在充分利用前文介紹的五種DSP濾波器和硬件的配合下，獲得良好的性能提升：

DSP濾波器用于擴展數(shù)字化儀器

·取樣率20GS/s和分辨率8位時，模擬帶寬達到6GHz，幅度平整性由±1至±2dB改進到±0.5dB。

·在幅一頻響應平滑和相一頻響應補償后，單次數(shù)據(jù)采集的時間測量準確度由±2ps以上改進到±1ps。

·硬件感應的背境噪聲在垂直靈敏度100mV/格時為2.8mV(rms)，利用DSP降噪波波器可改善到1.5mV(rsm)。

·測量上升時間50Ps的標準階躍脈沖時，使用模擬帶寬6GHz(上升時間70ps)的測量結果是74ps，利用DSP帶寬7 GHz的測量結果是66ps，說明FIR濾波器的帶寬提升能力可有效改進高速數(shù)字信號的時間測量準確度。

·值得注意的是DSP帶寬引入的背境噪聲的影響，模擬帶寬6 GHz和垂直靈敏度100mV/格時背境噪聲約3mV(rms)，DSP帶寬7 GHz時對背境噪聲增加到6 mV(rms)，亦即增加一倍。

綜合以上實測結果，安捷倫公司將54855A數(shù)字示波器的模擬帶寬定為6 GHz，DSP帶寬定為7GHz，這是綜合平衡全面指標的可靠結果。

繼54855A之后，安捷倫再推出80000B系列數(shù)字示波器，最高檔的81004B、81204BB、81304B在取樣率40GS/s和分辨率8位時，分別具有10 GHz、12 GHz、13 GHz的帶寬，而相應背境噪聲是342μV/格、387μV/格、419μV/格，觸發(fā)抖動小于0.5ps。對于指數(shù)最高的81304B，它的模擬帶寬是10 GHz，DSP帶寬是13 GHz，相應背境噪聲從342μV/格增加到419μV/格。相對54855A數(shù)字示波器來說取樣率和帶寬都增加一倍，但背境噪聲并無成倍增加，表明硬件/軟件的配合應用非常成功。

力科公司在數(shù)字化測量系統(tǒng)中運用DSP濾波器具有獨到的實踐結果，早期的數(shù)字示波器采用DSP處理器的FIR濾波器，近期采用奔騰處理器的IIR濾波器，使DSP帶寬從10 GHz提高到20 GHz。力科認為，數(shù)字示波器的前端放大器和數(shù)字化器完全用硬件是很難實現(xiàn)10 GHz帶寬的幅度和相位的平整頻率響應。即使無法滿足這樣復雜的結構，軟件結構亦有相當難度。90年代的微處理器運算速度不足以擔當此重任，2000年代高速奔騰處理器的運算能力才使難題得到解決。奔騰處理器主要用于事務處理，但是它的快速多重累加運算正好適合IIR運算，有兩個DSP加速指令，即多媒體擴展(MMX)和數(shù)據(jù)流單指令/多重數(shù)據(jù)擴展(SSE)起著重要作用。MMX和SSE在一個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行4次多重累加，達到每秒100億次浮點運算(10×109FLOPS)以滿足長數(shù)據(jù)采集和存儲時，每取樣點需要3000次FLOPS的數(shù)據(jù)處理速度。

力科公司為了數(shù)字示波器帶寬從10 GHz提高至20 GHz，開發(fā)出兩路10 GHz通道頻率疊加構成20 GHz帶寬的專利電路，代替業(yè)界常用的兩路20GS/s取樣率疊加構成40GS/s取樣率的電路。無論頻率疊加或取樣率疊加，都會遇到硬件在交疊過程中產(chǎn)生頻率響應誤差或取樣時鐘誤差，需要包括濾波、多重累加等許多信號處理算法，以修正硬件導致的誤差。力科公司能夠巧用DSP波波器，推進數(shù)字示波器的DSP帶寬達到20 GHz的經(jīng)驗，值得在開發(fā)數(shù)字測量系統(tǒng)時作為參考。

泰克公司長期領導數(shù)字示波器的發(fā)展，在運用DSP技術方面同樣成績突出，它的高檔數(shù)字濾波器TDS6000系列采用任意FIR濾波器來補償通常和禁帶的頻響特性。它的任意FIR濾波器的濾波系數(shù)是根據(jù)校準數(shù)據(jù)計算出來的，因而能夠?qū)γ颗_示波器的各個通道的電壓量程作準確補償，保證某一型號的數(shù)字示波器具有規(guī)范化的頻響特性。用戶可使用不同型號的數(shù)字示波器獲得同樣的測量結果，保證測量重復性和一致性。另外，在擴展DSP帶寬的同時，保持擴展帶所帶來的噪聲在適度范圍內(nèi)，泰克公司認為它的模擬前端電路具有較低的背境噪聲，能夠比競爭對手的高檔數(shù)字示波器提供更高的DSP帶寬，例如TDS6154C的模擬帶寬是12 GHz，DSP帶寬擴展到15 GHz，相應上升時間從35ps提高到28ps。而且TDS6000系列都提供250MHz和20MHz 兩種頻率限制DSP的濾波器。

在波形重建和降低數(shù)字信號的瞬變失真方面，TDS6000系列的DSP濾波器應用亦有特點。TDS6124C和TDS6154C的最高實時取樣率是40GS/s(25ps/點)，借助sinx/x函數(shù)的內(nèi)插濾波器使時間分辨率增加到2000GS/s(0.5ps/點)，等效于取樣率擴大250倍。還有，如果DSP濾波器在通帶和禁帶的濾波響應不準確，則在數(shù)字信號的瞬態(tài)過程出現(xiàn)預沖和過沖，并伴隨有衰減振蕩，這種現(xiàn)象稱為吉布斯(Gibbs)效應。TDS6154C除了擴展DSP帶寬至15 GHz，還要補償相位的線性度，達到線性相移12.1度/ GHz，相當群延時33.5ps。此時，吉布斯效應減至最小，瞬態(tài)過程的波形失真被限制在±5%以內(nèi)。

眾所周知，第一代數(shù)字信號處理器的貢獻是促進有線電話系統(tǒng)數(shù)字化，開創(chuàng)寬帶數(shù)字網(wǎng)絡，以及催生移動電話。第二代數(shù)字信號處理器推動消費電子，誕生了數(shù)字電視，高清晰度電視，數(shù)碼相機，以及串流多媒體。數(shù)字信號處理器在數(shù)字化測量儀器中的應用亦隨著增加，DSP濾波器取得的成果令人注目，今后必將出現(xiàn)更多的DSP在測量儀器中的應用成果。