專利名稱：一種數字示波器通道帶寬補償裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及數字存儲示波器技術領域，具體來講，涉及一種用于數字示波器通道帶寬補償裝置。
背景技術：
數字示波器通過高速模數轉換器，即ADC把連續變化的被測模擬信號轉換為離散的波形數據，并對該波形數據進行存儲、處理，然后重現波形，使得用戶能夠在時域上直觀地觀察被測信號。
隨著通訊、數據存儲領域中高速、復雜信號的變化，對數字示波器的分析能力提出了更高的要求，而數字示波器對高速信號分析能力依賴于高帶寬、高采樣率。
數字示波器的采樣率以平均每2～2.5年的速度成倍增長，而通道帶寬卻因模擬器件的限制，平均每4年才實現成倍增長。
雖然峰值網絡能有效的提高示波器帶寬，但信號還原代價高，尤其是對脈沖響應以及頻響平坦度的測試。然而系統噪聲、頻域響應、時域響應三者是相互制約的，峰值網絡提高通道帶寬，會對輸入信號引入噪聲；過度的頻域補償也會對時域信號引入過沖或阻尼，因而，從模擬角度補償示波器帶寬，會導致三者的關系進一步惡化。
同時，信號保真度是評價數字示波器性能最主要的衡量標準，而脈沖響應方式則是數字示波器高保真還原信號真實面目的非常重要的環節。信號保真度定義為顯示在數字示波器屏幕上的波形與被測波形間的擬合程度，而脈沖響應方式表征示波器系統對輸入激勵不同頻率成份的幅度和相位的表現。信號的還原度依賴于數字示波器的通道帶寬，因此，需要提高數字示波器的通道帶寬。
發明內容
本發明的目的在于克服現有技術中數字示波器通道帶寬補償裝置的不足，提供一種不會引入過沖的數字示波器通道帶寬補償裝置。
為實現上述目的，本發明的數字示波器通道帶寬補償裝置，其特征在于，包括 一通道補償濾波器，其輸入連接到輸入通道高速模數轉換器的輸出端，用于接收輸入通道高速模數轉換器輸出的波形數據，并進行頻率響應補償后輸出；所述的通道補償濾器具有與輸入通道頻率響應互逆的幅頻特性； 一低通濾波器，其輸入連接到通道補償濾器輸出端，用于將通道補償濾波器行頻率響應補償后的波形數據進行二次濾波，實現輸入通道的理想通道響應，二次濾波后的波形數據送到數字示波器顯示處理系統進行顯示；所述的低通濾波器的幅頻特性根據所需通道要求的指標進行設計。
本發明的發明目的是這樣實現的。
1、數字示波器的幅頻特性 由于數字示波器輸入通道前端模擬部件呈現出低通濾波特性，對輸入信號的不同頻率成份的通過能力不一致，高頻分量的幅度衰減率要大于低頻分量衰減率，因此，幅頻響應曲線不是線性變換，而是呈滾降(RollOff)趨勢，尤其對高于示波器-3dB帶寬的頻譜成份更是表現出急劇滾降特征.根據幅度響應曲線的不同滾降方式，數字示波器輸入通道主要有兩種幅頻響應類型，分別是平坦化響應(Flat Response)和貝塞爾響應(Bessel Response)。
平坦化響應有兩大優點。第一是信號在-3dB帶寬之前的幅頻響應較為平坦，衰減較小，可進行非常精確的測量。第二是超過-3dB帶寬后，頻響曲線急劇下降，高頻成份被有效截止，通過的低頻成分都能被后端ADC高保真采樣，因而可大大減小數字示波器中的采樣混疊機會，降低了波形失真度。平坦化響應示波器盡管有這些突出的優點，但也有非常顯著的缺點由于平坦響應截止了大量的高頻諧波，因而表現出比較大的過沖和振鈴現象，尤其是在信號上升時間很快，遠遠超過示波器可精確測量范圍時，這種負面效應更為突出。
貝塞爾幅頻響應對超過-3dB帶寬的高頻成分衰減速率相對較慢，因而表現出較小過沖和振鈴的較好脈沖效應。但由于在-3dB帶寬內對信號幅度響應相對來說不是很平坦，而且在-3dB帶寬外會拖出一條較長的尾巴，這樣使得后面的ADC需要更高的采樣率才能確保不發生頻率混疊現象。
2、頻率響應補償基本原理 在本發明中，根據數字示波器輸入通道頻率響應的幅頻特性，設計了一個與輸入通道頻率響應互逆的幅頻特性的通道補償濾器連接到輸入通道高速模數轉換器的輸出端，將輸入通道頻率響應綜合成增益為常數的直通濾波器后，再根據所需通道響應的指標要求設計一個低通濾波器進行二次濾波，實現數字頻域響應補償的數字信號處理系統。
其基本步驟是 (1)、首先，我們利用通道響應測試方法，獲取數字示波器輸入通道幅頻特性； (2)、經過根據輸入通道頻率響應的逆來設計通道補償濾波器，則步驟(1)與步驟(2)的綜合響應為一幅值增益為常數的直通器； (3)、根據所需輸入通道響應的指標要求設計一個低通濾波器，則實現數字示波器輸入通道的理想通道響應，實現了對輸入通道頻域響應的修正。
通道高速模數轉換器輸出的波形數據經過通道補償濾波器進行頻率響應補償，低通濾波器按理想通道響應進行低通濾波后，頻率響應得到了修正，從而提高了通道的帶寬。本發明是對輸入通道數模轉換后的數字波形數據進行頻率補償，因而，在對數字示波器通道帶寬補償，不會引入信號過沖。
圖1是本發明數字示波器通道帶寬補償裝置的原理框圖； 圖2是圖1所示輸入通道、通道補償濾器、低通濾波器頻率響應的幅頻曲線示意圖； 圖3是圖1所示輸入通道一具體實施方式
下歸一化處理后的頻率響應的幅頻曲線圖； 圖4是一種具體實施方式
的通道補償濾波器頻響幅頻曲線圖； 圖5是一種具體實施方式
的低通濾波器頻響幅頻曲線圖； 圖6是通道帶寬補償前后的脈沖響應曲線圖。
具體實施例方式 下面結合附圖對本發明的具體實施方式
進行描述，以便更好地理解本發明。需要特別提醒注意的是，在以下的描述中，當采用已知功能和設計的詳細描述也許會淡化本發明的主要內容時，這些描述在這兒將被忽略。
圖1是本發明數字示波器通道帶寬補償裝置的具體應用原理框圖。
如圖1所示，數字示波器輸入通道前端101輸出調理后的被測模擬信號給高速模數轉換器102，即ADC把連續變化的被測模擬信號轉換為離散的波形數據。高速模數轉換器102輸出的波形數據送入通道帶寬補償裝置3中，通道帶寬補償裝置3中的通道補償濾波器301接收到波形數據，并進行頻率響應補償后輸出。
如圖2所示，由于通道補償濾器301具有與輸入通道前端101、高速模數轉換器102構成的輸入通道頻率響應互逆的幅頻特性，對輸入通道前端101、高速模數轉換器102、通道補償濾器301對被測模擬信號的綜合響應為一幅值增益為常數的直通器。
波形數據進行頻率響應補償后輸出到低通濾波器302中，低通濾波器302的幅頻特性根據所需通道要求的指標進行設計。低通濾波器302將通道補償濾波器行頻率響應補償后的波形數據進行二次濾波，實現輸入通道的理想通道響應。二次濾波后的波形數據送到數字示波器顯示處理系統2進行顯示。
實施例 1、輸入通道頻率響應幅頻特性的獲取 在具體實施過程中，首先需要獲取輸入通道的頻率響應幅頻特性，通常可以使用以下兩種方法 1)、正弦掃描 對輸入通道進行正弦激振，保持激振力的幅值恒定不變，按一定規律不斷改變激振頻率，并拾取輸入通道的振動響應，從而得到輸入通道的頻率響應幅頻曲線。
2)、脈沖激振 用脈沖信號對輸入通道進行激振，將輸入通道的輸入輸出進行傅里葉變換，即可計算出其頻率響應幅頻曲線。
使用脈沖激振方法獲取系統通道頻率響應 其中，Hc為輸入通道頻率響應，Hm為輸入通道輸出信號的傅里葉變換，Hs為輸入通道輸入信號的傅里葉變換。為減小系統噪聲對測試的影響，系統通道頻率響應的獲取為多次測試結果的平均。
2、通道補償濾波器的設計 在具體實施過程中，在獲得輸入通道的頻率響應幅頻特性后，就可以開始進行通道補償濾波器的設計，通道補償濾器具有與輸入通道頻率響應互逆的幅頻特性。
將輸入通道頻率響應幅頻特性描述為一個N點的系統，并對頻率做歸一化處理。在本實施例中，歸一化處理后的結果如圖3所示。
采用輸入通道頻響幅頻特性作為參考，設計一個頻響幅頻特性與之相逼近的最優濾波器，可以構造誤差函數為 e(k)＝H(k)-hd(k)(2) 其中，H(k)為所設計最優濾波器的頻響幅頻特性，hd(k)為輸入通道頻響幅頻特性。最優濾波器的頻響幅頻特性設計目標是使得誤差函數的均方誤差最小，即最優濾波器的性能函數最優，達到逼近的目的，即代價函數J最小 J＝E{e2(k)}＝min(3) 結合式(4)，式(3)可以寫為如下形式 對式(3)，采用最小二乘法(Least Squares)來實現最優濾波器的設計。即通過均方誤差最小的約束條件，利用LMS算法進行迭代求解，獲取最優濾波器的傳遞函數系數an、bm，達到設計目標。
應用LMS算法對式(5)進行求解，即代價函數J滿足對an、bm的偏導為0 (6) 其中 H(k)的模可以使用下式進行求解 其中，α(ω)、β(ω)為最優濾波器的傳遞函數系數an的實部和虛部，γ(ω)、δ(ω)為最優濾波器的傳遞函數系數bm的實部和虛部。
則代價函數J滿足對an、bn的偏導為
式(16)、(17)、(15)的求解可以使用迭代求解，最常用的迭代求解法為最速下降算法。最速下降法使用梯度控制迭代步長，其步長較小，能保證收斂于最小偏差。
使用最速下降法對式(18)進行求解后可以獲得最優濾波器的傳遞函數系數，再將分子、分母的位置對調，則可以得到通道響應補償濾波器。
在本實施中，最優濾波器的傳遞函數系數如下
除了幅度頻響應外，另外一個緊密相連概念是相位頻響。輸入信號從數字示波器前端輸入傳遞到屏幕顯示之間，有很多模擬放大器構成一個放大器鏈，信號通過這些模擬器件需要一定的時間，或稱為相位延遲(Delay)。不同頻譜的信號在通過示波器內部通道時會產生不同的延遲，因而方波脈沖的不同諧波頻譜的不同傳播延遲會導致脈沖相位發生畸變，這種負面效應稱為群延遲(GroupDelay)。對于較低頻率信號，群延遲的破壞性效應可以忽略不計，隨著頻率越高，這種負面效應是不可逃避的問題。群延遲會使示波器的實際上升時間比標稱值更慢，而且會帶來更大的抖動噪底。在進行通道補償濾波器的設計中，所設計的通道補償濾波器是線性相位(Lines Phase)的，以保證對高頻信號的相位頻響。
通道補償濾波器的設計是最復雜的部分，它不但與實際通道參數有關，同時還與通道衰減檔位的設置有關，變化性強。因此，在本實施例中，補償濾波器的設計過程中，采用自適應濾波器的設計方法。
在本實施例中，通道補償濾波器頻響幅頻曲線如圖4所示.其中，幅頻特性曲線與圖3中的幅頻特性曲線互為逆；相頻特性曲線則為直線，以達到所需的線性相位要求. 3、低通濾波器的設計 因不同的數字示波器響應方式會產生不同特征的被測階躍脈沖波形。因此在后續低通濾波器的設計中，需要根據實際測試輸入通道的需要進行合理設計。
在本實施例中，低通濾波器采用FIR低通數字濾波器。設計FIR低通數字濾波器常用的方法主要有窗函數法、頻率取樣法、等紋波逼近法等，在本實施例中，采用窗函數法進行設計。
為保證-3dB帶寬外的高頻成分呈現相對較慢衰減速率，表現出較小過沖和振鈴等較好的脈沖效應，我們需要選用合理的窗函數來保證通道補償效果。通常情況下，貝塞爾(Bessel)窗函數是較為合理的選擇。
在本實施例中，基于貝塞爾窗函數設計的FIR低通濾波器幅頻特性如圖6所示。
4、通道帶寬補償驗證 以輸入為1MHz的快沿信號為例，利用等效采樣技術進行采集，等效采樣頻率fs＝40GSPS，通過實際數據采集驗證，得到通道帶寬補償前后信號對比情況，如圖6所示。
從圖6中可以得到，通道帶寬補償前輸入信號上升時間為T1＝0.525ns，對應的帶寬為B＝667MHz；通道帶寬補償后的上升時間為T2＝0.4ns，上升時間得到了提高，對應的帶寬B＝870MHz，提高了系統DSP帶寬。同時可以看出，基于數字信號處理的通道補償技術，可以在不增加過沖的情況下，優化了系統的阻尼參數(ringing)，提高了系統帶寬。
盡管上面對本發明說明性的具體實施方式
進行了描述，以便于本技術領的技術人員理解本發明，但應該清楚，本發明不限于具體實施方式
的范圍，對本技術領域的普通技術人員來講，只要各種變化在所附的權利要求限定和確定的本發明的精神和范圍內，這些變化是顯而易見的，一切利用本發明構思的發明創造均在保護之列。
權利要求
1.一種數字示波器通道帶寬補償裝置，其特征在于，包括
一通道補償濾波器，其輸入連接到輸入通道高速模數轉換器的輸出端，用于接收輸入通道高速模數轉換器輸出的波形數據，并進行頻率響應補償后輸出；所述的通道補償濾器具有與輸入通道頻率響應互逆的幅頻特性；
一低通濾波器，其輸入連接到通道補償濾器輸出端，用于將通道補償濾波器行頻率響應補償后的波形數據進行二次濾波，實現輸入通道的理想通道響應，二次濾波后的波形數據送到數字示波器顯示處理系統進行顯示；所述的低通濾波器的幅頻特性根據所需通道要求的指標進行設計。
2.根據權利要求1所述的數字示波器通道帶寬補償裝置，其特征在于，所述的通道補償濾器采用輸入通道頻響幅頻特性作為參考，設計一個頻響幅頻特性與之相逼近的最優濾波器，將最優濾波器的傳遞函數系數，分子、分母的位置對調，得到通道響應補償濾波器傳遞函數系數，完成通道補償濾器的設計。
3.根據權利要求2所述的數字示波器通道帶寬補償裝置，其特征在于，所述的最優濾波器采用以下方法獲得
構造誤差函數為
e(k)＝H(k)-hd(k)
其中，H(k)為所設計最優濾波器的頻響幅頻特性，hd(k)為輸入通道頻響幅頻特性；
使代價函數J最小
通過均方誤差最小的約束條件，利用最小二乘法進行迭代求解，獲取最優濾波器的傳遞函數系數an、bm，獲得最優濾波器。
4.根據權利要求1所述的數字示波器通道帶寬補償裝置，其特征在于，所述的通道補償濾器是線性相位的。
5.根據權利要求1所述的數字示波器通道帶寬補償裝置，其特征在于，所述的低通濾波器為FIR低通數字濾波器，FIR低通數字濾波器采用貝塞爾窗函數法進行設計。
全文摘要
本發明公開了一種數字示波器通道帶寬補償裝置，包括具有與輸入通道頻率響應互逆的幅頻特性通道補償濾波器對高速模數轉換器輸出的波形數據進行頻率響應補償后輸出；根據所需通道要求的指標進行設計的低通濾波器用于頻率響應補償后的波形數據進行二次濾波，將輸入通道響應補償為理想通道響應，輸入通道頻率響應得到了修正，從而提高了通道的帶寬。本發明是對輸入通道數模轉換后的數字波形數據進行頻率補償，因而，在對數字示波器通道帶寬補償，不會引入信號過沖。
文檔編號G01R13/02GK101706522SQ200910216208
公開日2010年5月12日 申請日期2009年11月13日 優先權日2009年11月13日
發明者田書林, 潘卉青, 葉芃, 曾浩, 羅光坤 申請人:電子科技大學