DSO中的內(nèi)插技術(shù)（一）

內(nèi)插是當(dāng)前數(shù)字示波器中的一項重要功能。DSO的主要用途是分析和查看模擬波形。為此，DSO以某種有限采樣率對波形采樣，相對于時間生成電壓矢量。由于這個矢量代表著一個樣點集(而不是實際平滑的模擬波形)，因此通常需要在實際采集點之間生成預(yù)測的樣點，來修改采集的波形。在實際波形樣點之間生成樣點的過程稱為內(nèi)插。在正常操作時，內(nèi)插可以得到一個采樣率較高的、更接近被分析模擬波形近似值的波形。

本文將討論兩種最流行的內(nèi)插方法，解釋其基本工作方式。然后，本文將介紹怎樣保證良好的內(nèi)插結(jié)果及怎樣確定什么時候適合采用內(nèi)插。本文使用部分簡單的試驗，比較了三種高端示波器的內(nèi)插性能。最后，本文比較了內(nèi)插操作的差異。

線性內(nèi)插

最簡單的內(nèi)插形式是線性內(nèi)插。線性內(nèi)插假設(shè)一條直線把每個波形樣點連接起來，這是一種非常簡單而又自然的方法，提供的結(jié)果有限。

注：來自Merriam-Webster字典2003年的定義


線性內(nèi)插可以視為使用三角形窗口過采樣的波形的卷積。

通過生成高1.0、寬為采樣周期兩倍的三角形，構(gòu)成三角形窗口。

隨著窗口滑到右面，通過把窗口值之和乘以窗口和樣點相交時的實際樣點值，得到內(nèi)插點。內(nèi)插的樣點放在窗口頂點時間上。

窗口寬度定義了其存儲器，即實際樣點影響內(nèi)插樣點的時間。由于窗口寬度是采樣周期的兩倍，只有落入內(nèi)插樣點時間內(nèi)的樣點才影響著內(nèi)插值。


通過使用過采樣排列的數(shù)字濾波器，也可以實現(xiàn)這種卷積。圖中所示的排列是一個5點過采樣器。在這一排列中，每個新樣點都生成5個新樣點。濾波器輸出僅與新輸入和最后一個輸入有關(guān)。濾波系數(shù)通過對窗口采樣生成。


通過考察這些圖，可以很容易看出建立濾波系數(shù)的模式。

SinX/X內(nèi)插

流行的、比較復(fù)雜的內(nèi)插形式稱為SinX/X (也稱為Sync或簡稱為SinX內(nèi)插)。SinX內(nèi)插的名字來自于卷積使用的窗口函數(shù)眾所周知的形狀。與線性內(nèi)插的窄尖三角不同，SinX內(nèi)插窗口在理論上是一個從未結(jié)束的減幅正弦波。


[圖示內(nèi)容：]
point 0：點0
point 1：點1
point 2：點2
point 3：點3
point 4：點4
這個窗口形狀源自一個重要的假設(shè)，即在原始波形采樣中遵循內(nèi)奎斯特標(biāo)準(zhǔn)。換句話說，它假設(shè)采樣的模擬波形中的所有頻率成分都位于波形采樣的采樣率一半以下，這種假設(shè)是合理的。在進(jìn)行這一假設(shè)，并對這一假設(shè)的頻譜進(jìn)行反向傅立葉變換時，可以得到這個眾所周知的函數(shù)。

一般來說，這個假設(shè)是可以做出的最好的假設(shè)，但我們將看到，這并總是正確的假設(shè)。結(jié)果，SinX內(nèi)插實際上是最有效的內(nèi)插方法。通過考察內(nèi)奎斯特標(biāo)準(zhǔn)的意義，可以了解這一點。內(nèi)奎斯特聲稱，在信號的所有頻率成分低于采樣率的一半時，可以從采樣的點中全面確定連續(xù)的模擬信號。SinX內(nèi)插是獲得連續(xù)模擬信號的技術(shù)。

SinX內(nèi)插受到某些數(shù)學(xué)技術(shù)和實用技術(shù)的影響，使得這種方法不可能完美無缺。首先，Sync函數(shù)無窮大，必須在截短誤差低到可以接受的水平的點上截短這個函數(shù)。這是因為真正帶寬受限的信號必須有無窮大的長度，意味著必須一直知道所有樣點。事實證明，離內(nèi)插點越來越遠(yuǎn)的點的影響會迅速下降，截短提供了高度可接受的結(jié)果。另一個缺點是在被采樣的系統(tǒng)中，由于DSO結(jié)構(gòu)(如通道復(fù)用)產(chǎn)生的噪聲和假信號會混合到信號中，導(dǎo)致超出內(nèi)奎斯特極限的噪聲和失真。其導(dǎo)致的誤差可以保持在可以接受的較低水平上。