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DSP濾波器用于擴展數(shù)字化儀器性能分析

作者: 時間:2011-07-13 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
的應用范圍

DSP在數(shù)字化測量系統(tǒng)中有多種功能獲得廣泛采用,它們可改善有限取樣率引起的頻率響應、相位響應、噪聲性能、帶寬擴展等指標。

數(shù)字化測量系統(tǒng)(如數(shù)字化儀、數(shù)字示波器)的DSP配置如圖1所示,DSP對A/D轉(zhuǎn)換后的模擬信號數(shù)據(jù)流進行數(shù)字處理,最常用的功能有快速傅立葉變換(FFT)、數(shù)字調(diào)制、增益控制、編碼/解碼等在數(shù)字通信中廣為人知的運算,而在數(shù)字化測量系統(tǒng)中最重要的功能是數(shù)字濾波器,作為軟件濾波器能夠提供比硬件濾波器更優(yōu)異的特性。數(shù)字化測量系統(tǒng)對被測波形的數(shù)學運算即可使用有限沖激響應(FIR)濾波器,亦可使用無限沖激響應(IIR)濾波器,可視為一種修改波形形狀的數(shù)學程序。根據(jù)要求我們可設(shè)計出特定的濾波器,把波形變換成所希望的任何形狀。因為從廣義上來看,處理信號的任何系統(tǒng)都可視為濾濾器,以數(shù)字示波器為例,它的DC輸入通道是低通濾波器,3dB滾降點就是它的頻率帶寬,在AC輸入情況下它就是帶通濾波器。DSP濾波器的主要應用如下:

DSP濾波器用于擴展數(shù)字化儀器

DSP濾波器用于擴展

波形重建

數(shù)字示濾器受A/D轉(zhuǎn)換器取樣率的限制,波形的取樣點是有限的和非連續(xù)的,為了便于觀察,必須對變換后的離散樣點作波形重建,亦即在樣點之間添加數(shù)據(jù)點,使數(shù)字化后的波形具有更好的可視性和測量精度。在實時數(shù)字示波器中,對被測信號只有單次數(shù)據(jù)采集,采用軟件波形重建是唯一的選擇。

最簡單的波形重建是線性內(nèi)插濾波器,顯然將兩取樣點作直線連接后的重建波形不夠平滑,在波形突變段的可視性更差。更精確的波形重建采用Sinx函數(shù)的內(nèi)插濾波器,Sin(x)/X內(nèi)插濾波器可獲得平滑的波形重建和更準確的絕對值,而且不會引入混淆頻率。根據(jù)取樣原理,定義取樣頻率fs=2fN,fN是奈奎斯特頻率,亦即fN是數(shù)字化后的最高頻率,需要采用磚墻型濾波器抑制fN以上頻率,否則將引入混淆頻率,產(chǎn)生不可接受的測量誤差。例如數(shù)字示濾器采用20GS/s的取樣率的,fN等于10GHz。為了保證獲得最高10GHz的帶寬,必須采用10GHz的磚墻型硬件濾波器。如圖2所示,紅線(右)表示10GHz的fN磚墻型濾波器,這種理論濾波器實際上無法用硬件來實現(xiàn)的。傳統(tǒng)上模擬示波器采用高斯型滾降特性,用綠線(左)表示的-3dB帶寬是5GHz,由于滾降曲線的下降段非常緩慢,在-3dB點后面還有超過奈奎斯特頻率的高頻分量,如圖中斜線部分所示。因此,數(shù)字示波器不采用高斯響應濾波器而采用最大平滑響應濾波器,用籃線(中)表示的-3dB帶寬達到8GHz。這種高防最大平滑響應濾波器使數(shù)字示波器的帶寬接近奈奎斯特頻率,在A/D轉(zhuǎn)換器的取樣率是20GS/s下,通過Sin(x)/x濾波器使波形重建和DSP濾波處理后,可獲得8GHz的-3dB帶寬。亦即,采用Sin(x)/x濾波器的波形重建能夠獲得0.4倍取樣頻率fs的帶寬。

DSP濾波器用于擴展數(shù)字化儀器

DSP濾波器用于擴展

幅度平滑

數(shù)字化測量系統(tǒng)由于硬件的不均勻性,導導致頻率特性在通帶內(nèi)不夠平滑,數(shù)字示波器的頻率響應特性曲線在低頻段具有一致的幅度,然后進入高頻的滾降段,如圖2的綠線所示。實際上,頻率響應曲線在中頻段開始變差,在某些頻點上硬體會衰減或建峰信號,特別是接近帶寬限值時出現(xiàn)頻率響應的異常峰值。按照頻率帶寬的定義,只提及-3dB滾降點,故電路設(shè)計工程師為了擴展帶寬,在高頻段加入建峰補償。圖3是某種數(shù)字示波器的實測頻率響應曲線,紅線(上)表明具有6GHz的實時帶寬,但同時可見在3.5GHz和5.5GHz分別出現(xiàn)+1dB和+2dB的建峰響應。由于示波器供應商不提供頻率響應的不平整度數(shù)據(jù),只按-3dB確定實時帶寬,這樣必然引入幅度測量的嚴重誤差。

DSP濾波器用于擴展數(shù)字化儀器

DSP濾波器用于擴展

采用DSP幅度平滑濾波器能夠明顯改善數(shù)字示波器的頻率響應幅度誤差,籃線(下)是修正后的頻率響應,幅度偏差控制在±1dB以內(nèi),帶寬仍然保持6GHz,而原來從3 GHz至5 GHz的建峰得到平滑。這種從硬件濾波器達到使頻率響應建峰,再從軟件濾波器使頻率響應平滑,對具有高取樣率的數(shù)字示波器來說,它是十分有效的硬件/軟件相結(jié)合的擴展帶寬和提高幅度平整度的方法。


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