DSP滤波器用于扩展数字化仪器的性能

DSP在数字化测量系统中有多种功能获得广泛采用，它们可改善有限取样率引起的频率响应、相位响应、噪声性能、带宽扩展等指标。数字化测量系统(如数字化仪、数字示波器)的DSP配置如图1所示，DSP对A/D转换后的模拟信号数据流进行数字处理，最常用的功能有快速傅立叶变换(FFT)、数字调制、

　　波形重建

　　数字示滤器受A/D转换器取样率的限制，波形的取样点是有限的和非连续的，为了便于观察，必须对变换后的离散样点作波形重建，亦即在样点之间添加数据点，使数字化后的波形具有更好的可视性和测量精度。在实时数字示波器中，对被测信号只有单次数据采集，采用软件波形重建是唯一的选择。

　　最简单的波形重建是线性内插滤波器，显然将两取样点作直线连接后的重建波形不够平滑，在波形突变段的可视性更差。更精确的波形重建采用Sinx函数的内插滤波器，Sin(x)/X内插滤波器可获得平滑的波形重建和更准确的绝对值，而且不会引入混淆频率。根据取样原理，定义取样频率fs=2fN，fN是奈奎斯特频率，亦即fN是数字化后的最高频率，需要采用砖墙型滤波器抑制fN以上频率，否则将引入混淆频率，产生不可接受的测量误差。例如数字示滤器采用20GS/s的取样率的，fN等于10GHz。为了保证获得最高10GHz的带宽，必须采用10GHz的砖墙型硬件滤波器。如图2所示，红线(右)表示10GHz的fN砖墙型滤波器，这种理论滤波器实际上无法用硬件来实现的。传统上模拟示波器采用高斯型滚降特性，用绿线(左)表示的-3dB带宽是5GHz，由于滚降曲线的下降段非常缓慢，在-3dB点后面还有超过奈奎斯特频率的高频分量，如图中斜线部分所示。因此，数字示波器不采用高斯响应滤波器而采用最大平滑响应滤波器，用篮线(中)表示的-3dB带宽达到8GHz。这种高防最大平滑响应滤波器使数字示波器的带宽接近

　　幅度平滑

　　数字化测量系统由于硬件的不均匀性，导导致频率特性在通带内不够平滑，数字示波器的频率响应特性曲线在低频段具有一致的幅度，然后进入高频的滚降段，如图2的绿线所示。实际上，频率响应曲线在中频段开始变差，在某些频点上硬体会衰减或建峰信号，特别是接近带宽限值时出现频率响应的异常峰值。按照频率带宽的定义，只提及-3dB滚降点，故电路设计工程师为了扩展带宽，在高频段加入建峰补偿。图3是某种数字示波器的实测频率响应曲线，红线(上)表明具有6GHz的实时带宽，但同时可见在3.5GHz和5.5GHz分别出现+1dB和+2dB的建峰响应。由于示波器供应商不提供频率响应的不平整度数据，只按-3dB确定实时带宽，这样必然引入幅度测量的严重误差。

采用DSP幅度平滑滤波器能够明显改善数字示波器的频率响应幅度误差，篮线(下)是修正后的频率响应，幅度偏差控制在1dB以内，带宽仍然保持6GHz，而原来从3 GHz至5 GHz的建峰得到平滑。这种从硬件滤波器达到使频率响应建峰，再从软件滤波器使频率响应平滑，对具有高取样率的数字示波器来说，它是十分有效的硬件/软件相结合的扩展带宽和提高幅度平整度的方法。

　　相位校正

　　数字信号通常由基波和大量谐波组成，数字测量系统除了保证被测信号的幅度-频率响应之外，对于相位-频率响应亦不应引入相位延迟。由于数字示波器的硬件往往使高频谐波产生相移，结果是信号的群延迟增加。为了消除群延迟导致信号失真，只有提高仪器的带宽或由DSP滤波器作相位校正，显然后者是最经济有效的办法。借助与幅度平整使用的

DSP滤波器的应用实例

　　DSP滤波器在数字测量仪器的几项应用实例：

　　仪器业界中，使用DSP改善测试仪器高频特性的供应商首推安捷伦公司，它在高档网络分析仪、频谱分析仪中成功地引入DSP带宽提升滤波器。在时域反射计最早采用DSP带宽提升技术将阶跃脉冲的上升边沿"标称化"，使隧道二极管的重建滤形更快速、噪声降低、抖动减小，从而提高测量反射波和反射系数的读数准确度。时域反射计的"标称化"技术至今还被仪器业界所采用，加上时域反射计可使用重复取样，更容易发挥DSP滤波器的特点。近几年来，安捷伦扩大DSP滤波器技术至数字存储示波器，例如54855A全面使用FIR数字滤波器，将模拟带宽6GHz提高至DSP带宽7GHz。在充分利用前文介绍的五种DSP滤波器和硬件的配合下，获得良好的性能提升：

　　取样率20GS/s和分辨率8位时，模拟带宽达到6GHz，幅度平整性由1至2dB改进到0.5dB。

　　在幅一频响应平滑和相一频响应补偿后，单次数据采集的时间测量准确度由2ps以上改进到1ps。

　　硬件感应的背境噪声在垂直灵敏度100mV/格时为2.8mV(rms)，利用DSP降噪波波器可改善到1.5mV(rsm)。

测量上升时间50Ps的标准阶跃脉冲时，