DSP濾波器用于擴展數字化儀器的性能(06-100)

　　DSP濾波器的應用實例

　　DSP濾波器在數字測量儀器的幾項應用實例：

　　儀器業界中，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的讀數準確度。時域反射計的“標稱化”技術至今還被儀器業界所采用，加上時域反射計可使用重復取樣，更容易發揮DSP濾波器的特點。近幾年來，安捷倫擴大DSP濾波器技術至數字存儲示波器，例如54855A全面使用FIR數字濾波器，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：

　　·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，單次數據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，觸發抖動小于0.5ps。對于指數最高的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。

　　力科公司在數字化測量系統中運用DSP濾波器具有獨到的實踐結果，早期的數字示波器采用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，數字示波器的前端放大器和數字化器完全用硬件是很難實現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)和數據流單指令/多重數據擴展(SSE)起著重要作用。MMX和SSE在一個時鐘周期內執行4次多重累加，達到每秒100億次浮點運算(10×109FLOPS)以滿足長數據采集和存儲時，每取樣點需要3000次FLOPS的數據處理速度。

　　力科公司為了數字示波器帶寬從10 GHz提高至20 GHz，開發出兩路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，推進數字示波器的DSP帶寬達到20 GHz的經驗，值得在開發數字測量系統時作為參考。