高速數(shù)字存儲示波器中的數(shù)字信號處理技術(shù)研究

黃祥就

摘要：數(shù)字示波器具有采集數(shù)據(jù)、A/D轉(zhuǎn)換及進行軟件編程的相關(guān)功能，高速數(shù)字存儲示波器具有高采樣、準確重建原信號的優(yōu)勢。伴隨數(shù)字技術(shù)的不斷發(fā)展演變，集成電路技術(shù)不斷發(fā)展，微處理器技術(shù)亦是呈現(xiàn)飛速發(fā)展態(tài)勢，其均促使高速數(shù)字存儲示波器的誕生以及發(fā)展應(yīng)用。本文研究主要探究高速數(shù)字存儲示波器的常用數(shù)字信號處理技術(shù)—信號插值技術(shù)，以期為示波器的發(fā)展更進提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：高速數(shù)字存儲示波器;數(shù)字信號處理技術(shù);信號插值技術(shù)

目前，我國在數(shù)字存儲示波器的研究以及生產(chǎn)中尚處于初級階段，市場上高端的數(shù)字存儲示波器幾乎為國外知名品牌，國內(nèi)品牌寥寥無幾^[1]。研發(fā)我國自有的高速數(shù)字存儲示波器，打破國外示波器品牌的市場壟斷地位，提升我國在示波器市場的話語權(quán)極為重要^[2]。本文主要闡述高速數(shù)字存儲示波器的發(fā)展現(xiàn)狀，簡述其基本應(yīng)用原理，并深入分析高速數(shù)字存儲示波器的信號插值技術(shù)，以期為我國自主研發(fā)并掌握高速數(shù)字存儲示波器技術(shù)提供參考。

一、高速數(shù)字存儲示波器的發(fā)展現(xiàn)狀

電子測量領(lǐng)域的常見使用儀器之一即為示波器，示波器常用于觀測波形，以便于直觀可視化的監(jiān)測信號。此外，其可用于頻率、電壓、電流等等的監(jiān)測。電子示波器起源于20世紀40年代，美國泰克公司研制同步示波器成功，標志著示波器時代的到來。激光技術(shù)、現(xiàn)代武器、電子通信系統(tǒng)以及高速集成電路等領(lǐng)域均需要高速、精準、數(shù)字化采集以及處理信號的設(shè)備，高速數(shù)字存儲示波器即可直接性用于上述領(lǐng)域產(chǎn)品的測試^[3]。現(xiàn)代數(shù)字化技術(shù)以及計算機技術(shù)等飛速發(fā)展，基于此背景下，示波器的研發(fā)更新成為主流發(fā)展趨勢。目前國內(nèi)外市場的高速數(shù)字存儲示波器多數(shù)為國外相關(guān)產(chǎn)品，其市場壟斷性極高。我國對于高度數(shù)字存儲示波器的研發(fā)相對較為落后，目前僅有少數(shù)低端數(shù)字存儲示波器的生產(chǎn)商。要想真正有效運用高速數(shù)字化存儲示波器，尚需研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的自有高速數(shù)字化存儲示波器品牌^[4]。

二、高速數(shù)字存儲示波器的基本應(yīng)用原理

高速數(shù)字存儲示波器的主要構(gòu)成模塊分為四大模塊，分別為：垂直通道模塊、I/O模塊、數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)處理模塊、輔助電路模塊。高速數(shù)字存儲示波器與模擬示波器存在相似之處，其在示波器輸入端，輸入信號的放大主要通過垂直通道模塊控制信號，而后放大的信號經(jīng)過耦合作用加入直流偏置，是電壓控制在轉(zhuǎn)換電壓標準范圍內(nèi)。然后，數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)處理模塊發(fā)揮信號存儲作用。上述過程重復(fù)進行，在相應(yīng)的觸發(fā)條件下即可中斷，進而釋放存儲數(shù)據(jù)加以顯示，獲取信號波形^[5]。

三、高速數(shù)字存儲示波器的信號插值技術(shù)

在高速數(shù)字存儲示波器的實際應(yīng)用過程中，因終端傳輸線錯失而造成的串擾、電位跳動均為非規(guī)律性發(fā)生，此外，因總線競爭現(xiàn)象，易于出現(xiàn)毛刺以及沖擊。故除外高實時采樣效率外，高速數(shù)字存儲示波器的信號波形分析功能極為重要。良好的信號波形分析功能有利于高速數(shù)字存儲示波器對于信號的恢復(fù)以及重建。實現(xiàn)高速數(shù)字存儲示波器信號波形分析功能的即為信號插值技術(shù)的應(yīng)用。高速數(shù)字存儲示波器的信號插值技術(shù)主要分為線性插值以及正弦插值^[6]。

（一）高速數(shù)字存儲示波器的線性內(nèi)插技術(shù)

所謂線性內(nèi)插技術(shù)，表層含義解釋即為將相互鄰近的各個采樣點，使用直線進行互連。使用直線連接的各個采樣點之間直線距離相對較近，各個信號周期內(nèi)可以獲取多于10個的原始采樣點，即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的整體性采集存儲，進而轉(zhuǎn)化重建信號波形。

高速數(shù)字存儲示波器的線性內(nèi)插技術(shù)計算過程相對簡便，屬于一種效果較為顯著的計算近似函數(shù)值的方法。其采用折線代替曲線，實現(xiàn)各個采樣點之間的直線性連接，將復(fù)雜運算簡單化，采取定點運算實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集以及存儲。使用線性內(nèi)插算法可以將較為復(fù)雜化的計算轉(zhuǎn)化為表格化的格式話構(gòu)造。線性內(nèi)插算法復(fù)雜計算轉(zhuǎn)化過程中，需要保證計算中數(shù)值不溢出構(gòu)造表格，同時需要確保計算的高精度性。此外，插值空間范圍內(nèi)，需要確保符合運算的有效數(shù)據(jù)位數(shù)，以便于實現(xiàn)算法的化繁為簡，保障高速數(shù)字存儲示波器的信號處理實時性。

線性內(nèi)插算法的應(yīng)用相對較為簡單，其具有較高的計算速度。但是，高速數(shù)字存儲示波器的線性插值算法計算依據(jù)并非波形特征，雖然其計算較為快速且計算便捷，但是其對于波形的還原能力尚有欠缺之處，存在較大的局限性。此項局限致使其存在計算精度相對較低的缺陷，尤其是在曲率變化比較大的區(qū)間范圍內(nèi)，該項缺陷更為顯著。其計算誤差不便推導(dǎo)，故只能采取多次重復(fù)嘗試的方法加以調(diào)整改進。

（二）高速數(shù)字存儲示波器的正弦內(nèi)插技術(shù)

高速數(shù)字存儲示波器的另一插值技術(shù)即為正弦內(nèi)插技術(shù)。正弦內(nèi)插技術(shù)不同于線性內(nèi)插技術(shù)，其主要應(yīng)用幅度以及頻率可變化的正弦擬合曲線將各個采樣點相互連接。正弦內(nèi)插技術(shù)具有極強的通用性。通過正弦內(nèi)插技術(shù)進行高速數(shù)字存儲示波器的波形重建，可以在采樣點數(shù)量較少的情況下獲取波形。采樣速率是指高速數(shù)字存儲示波器進行相關(guān)信號采樣時的不失真頻率。常規(guī)狀態(tài)下，在一定的范圍內(nèi)，可以進行高速數(shù)字存儲示波器不失真頻率的調(diào)節(jié)。在連續(xù)信號以及無限時間的特定條件下，高速數(shù)字存儲示波器進行高速信號采樣時，其獲取的信號波形中具有較高幾率的信息丟失以及相關(guān)事件丟失情況。因此，選擇正弦內(nèi)插算法的時候，為了保障其信號采集獲取波形的準確性，高速數(shù)字存儲示波器應(yīng)選取較原始信號頻率2.5倍的采樣頻率。如示波器的采樣速率達到了20GSample / s，帶寬高達 4GHz，此類測量系統(tǒng)用單脈沖事件的捕獲。具體采樣頻率的快慢主要取決于被測量波形的實際類型、高速數(shù)字存儲示波器選取的信號重建方式。

（三）高速數(shù)字存儲示波器處理算法的具體選擇

為了獲取高精度的波形，因此需要選擇合適的插值技術(shù)以及相關(guān)插值參數(shù)。當測量正弦原始波形的時候，需要采取正弦插值算法以獲取最佳波形效果。當測量方波原始波形以及三角原始波形的時候，需要采取線性插值算法以獲取最佳的波形效果。如果原始采樣點的數(shù)量相等，則需要按照上述常規(guī)情況選擇算法。如果信號頻率近似于奈奎斯特頻率，則選擇正弦插值算法，如果信號頻率低于奈奎斯特頻率，則選擇線性插值算法。

四、小結(jié)

高速數(shù)字存儲示波器是電子測量領(lǐng)域中的重要儀器。插值技術(shù)則為高速數(shù)字存儲示波器的重要信號處理技術(shù)。本文基于高速數(shù)字存儲示波器的信號處理技術(shù)研究，探討線性內(nèi)插技術(shù)以及正弦插值技術(shù)的基本情況，并對比兩種插值技術(shù)的具體選擇。通過全文探討以及對比，希望為我國自主研發(fā)高速數(shù)字存儲示波器提供基礎(chǔ)性的理論闡述。

參考文獻

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[6] 張慧. 數(shù)字存儲示波器中的數(shù)字信號處理研究[D].東南大學(xué)，2006.

（作者單位：南寧富桂精密工業(yè)有限公司）