示波器基础系列之十六—— 示波器响应方式对信号采集保真

是线性相位（Linear Phase），第二个模型是最小相位（Minimum Phase）。

理想的线性相位概念源自群延迟概念。群延迟有时称为包络延迟，不应把它与相位延迟混淆。群延迟和相位延迟都与系统的相位相关,公式如下:

公式2 - 相位延迟

公式3 - 群延迟

相位延迟是正弦曲线在频率f上的时间延迟，它假设正弦曲线一直保持不变。群延迟是f周围一组窄频率的幅度包络。可以看到，在相位Φ(f)随着频率线性变化时，相位延迟和群延迟的解都是一个恒定的延迟。在相位与频率的关系非线性时，相位延迟和群延迟都不会对频率保持恒定。在经常遇到的带限系统中，群延迟在频段边沿附近上升，这意味着在其通过示波器通道 时，信号的高频成分一般会延迟。在阶跃响应中，这表现为较慢的上升时间和较高的过冲，因为高频成分没有和边沿同时到达，而是在边沿传送后才到达。而理想的线性相位响应（或群延迟）则克服了这些问题.

在控制理论和信号处理中，如果系统及其倒数具有因果关系且稳定，那么随时间变化的线性系统有最小相位。生成最小相位设计的方式是设计FIR滤波器，是带宽有限系统可以实现的最佳响应，因为它具有因果效应，时间t<0时，所有输入激励均无响应，是一种更接近自然情况的相位响应方式。下图4说明了力科SDA11000串行数据分析仪对30ps阶跃和5Gb/s串 行数据信号的响应。可以看出，线性相位系统表现的非因果关系的阶跃响应转换成对称的眼图。最小相位更加自然的阶跃响应转换成略微不对称的眼图。注意，眼图 测试使用的模板不是为处理任何不对称设计的，不对称是标准一致性测试中的典型情况。正是基于这些原因，最小相位响应和线性相位响应都有其优点和缺点

图4，线性相位和最小相位在力科SDA11000示波器的眼图效果对比

总之，对涉及眼图的测量，线性相位拥有更好的响应特点。但对于其他通用信号测试而言，最小相位响应对信号保真度效果更好。

2、脉冲响应优化类型

示波器对阶跃脉冲的响应(Step Response) 需要从两个方面来分析，一个是幅度响应，另一个就是相位响应（或群延迟）。用户在评估一台高带宽示波器性能时，会希望采集到的信号：1、更小的过冲Overshoot ；2、更小的前冲Preshoot ；3、更快的稳定时间也就是更小的振铃；4、与示波器标称带宽所一致的上升时间。

根据以上分析，贝塞尔幅度响应有更小的过冲或振铃，但上升时间也较慢，也会在-3dB带 宽外引起采样频率混叠的负面效应；而平坦幅度响应上升时间更快，但会带来更大的过冲和振铃。至于相位响应方面，线性相位响应修正群延迟至零，降低了不同频 率成分的相位不一致性，非常适合串行数据的测试和分析，比如眼图和抖动等。最小相位响应是一种“因果“响应，阶跃发生前的所有效应包括前冲都为零，是一种 最接近真实世界的响应，适合通用信号测试领域，尽管它会带来最慢的状态翻转速率.

目前业界主要厂家研制的高性能示波器，对脉冲的幅度响应和相位响应可以组合成三种脉冲响应优化方式，分别是：Pulse Response采用四阶贝塞尔幅度响应和最小相位响应；Eye Diagram采用四阶贝塞尔幅度响应和线性相位响应；Flatness Response采用平坦化幅度响应和线性相位响应。

这三种响应优化类型不存在哪个更好的问题，而是分别适应了不同信号的测试应用需求。下表1总结了三种响应优化模式的不同特点和适用领域。

表1 三种阶跃响应优化模式特点总结

下图5显示了三种示波器响应方式对输入阶跃脉冲响应效果的对比总结。

图5 三种脉冲优化方式对比总结

从上图可分析出Pulse Mode阶跃脉冲跃迁速率最慢，前冲为零，-3dB带宽内幅度有一定衰减，-3dB带宽外幅度滚降速率较慢，在高频点群延迟不为零；Eye Mode阶跃脉冲跃迁速率较快，前冲被显著提高，因为需要达到与过冲一致的对称性，在整个带宽范围内都保持群延迟为零，特别适合眼图等串行数据分析方法，同样在-3dB带宽内幅度有一定衰减，-3dB带宽外幅度滚降速率较慢；Flatness Mode阶跃脉冲跃迁速率最快，但也有最大的过冲和前冲以及振铃等，-3dB带宽内幅频响应较平坦，超过-3dB带宽后，频响曲线急剧下降，其在通频带内能保持线性相位响应，对于纯粹正弦信号和调制波形测试来说非常合适。

3、如何选择合适的示波器响应模式

以上分析了了几种示波器响应的不同特点，以及它们的适用领域。示波器响应优化如何提高信号采集的保真度，我们可以做出以下结论：

1、 用户输入信号与屏幕上显示的波形之间的拟合程度“永远”受到示波器响应方式的影响；

2、 任何示波器都有非理想的行为，包括幅度衰减，相位偏差，噪声波动等；

3