DSP濾波器用于擴(kuò)展數(shù)字化儀器的性能(06-100)

　　DSP濾波器的應(yīng)用實(shí)例

　　DSP濾波器在數(shù)字測(cè)量儀器的幾項(xiàng)應(yīng)用實(shí)例：

　　儀器業(yè)界中，使用DSP改善測(cè)試儀器高頻特性的供應(yīng)商首推安捷倫公司，它在高檔網(wǎng)絡(luò)分析儀、頻譜分析儀中成功地引入DSP帶寬提升濾波器。在時(shí)域反射計(jì)最早采用DSP帶寬提升技術(shù)將階躍脈沖的上升邊沿“標(biāo)稱化”，使隧道二極管的重建濾形更快速、噪聲降低、抖動(dòng)減小，從而提高測(cè)量反射波和反射系數(shù)的讀數(shù)準(zhǔn)確度。時(shí)域反射計(jì)的“標(biāo)稱化”技術(shù)至今還被儀器業(yè)界所采用，加上時(shí)域反射計(jì)可使用重復(fù)取樣，更容易發(fā)揮DSP濾波器的特點(diǎn)。近幾年來，安捷倫擴(kuò)大DSP濾波器技術(shù)至數(shù)字存儲(chǔ)示波器，例如54855A全面使用FIR數(shù)字濾波器，將模擬帶寬6GHz提高至DSP帶寬7GHz。在充分利用前文介紹的五種DSP濾波器和硬件的配合下，獲得良好的性能提升：

　　·取樣率20GS/s和分辨率8位時(shí)，模擬帶寬達(dá)到6GHz，幅度平整性由±1至±2dB改進(jìn)到±0.5dB。

　　·在幅一頻響應(yīng)平滑和相一頻響應(yīng)補(bǔ)償后，單次數(shù)據(jù)采集的時(shí)間測(cè)量準(zhǔn)確度由±2ps以上改進(jìn)到±1ps。

　　·硬件感應(yīng)的背境噪聲在垂直靈敏度100mV/格時(shí)為2.8mV(rms)，利用DSP降噪波波器可改善到1.5mV(rsm)。

　　·測(cè)量上升時(shí)間50Ps的標(biāo)準(zhǔn)階躍脈沖時(shí)，使用模擬帶寬6GHz(上升時(shí)間70ps)的測(cè)量結(jié)果是74ps，利用DSP帶寬7 GHz的測(cè)量結(jié)果是66ps，說明FIR濾波器的帶寬提升能力可有效改進(jìn)高速數(shù)字信號(hào)的時(shí)間測(cè)量準(zhǔn)確度。

　　·值得注意的是DSP帶寬引入的背境噪聲的影響，模擬帶寬6 GHz和垂直靈敏度100mV/格時(shí)背境噪聲約3mV(rms)，DSP帶寬7 GHz時(shí)對(duì)背境噪聲增加到6 mV(rms)，亦即增加一倍。

　　綜合以上實(shí)測(cè)結(jié)果，安捷倫公司將54855A數(shù)字示波器的模擬帶寬定為6 GHz，DSP帶寬定為7GHz，這是綜合平衡全面指標(biāo)的可靠結(jié)果。

　　繼54855A之后，安捷倫再推出80000B系列數(shù)字示波器，最高檔的81004B、81204BB、81304B在取樣率40GS/s和分辨率8位時(shí)，分別具有10 GHz、12 GHz、13 GHz的帶寬，而相應(yīng)背境噪聲是342μV/格、387μV/格、419μV/格，觸發(fā)抖動(dòng)小于0.5ps。對(duì)于指數(shù)最高的81304B，它的模擬帶寬是10 GHz，DSP帶寬是13 GHz，相應(yīng)背境噪聲從342μV/格增加到419μV/格。相對(duì)54855A數(shù)字示波器來說取樣率和帶寬都增加一倍，但背境噪聲并無成倍增加，表明硬件/軟件的配合應(yīng)用非常成功。

　　力科公司在數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)中運(yùn)用DSP濾波器具有獨(dú)到的實(shí)踐結(jié)果，早期的數(shù)字示波器采用DSP處理器的FIR濾波器，近期采用奔騰處理器的IIR濾波器，使DSP帶寬從10 GHz提高到20 GHz。力科認(rèn)為，數(shù)字示波器的前端放大器和數(shù)字化器完全用硬件是很難實(shí)現(xiàn)10 GHz帶寬的幅度和相位的平整頻率響應(yīng)。即使無法滿足這樣復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，軟件結(jié)構(gòu)亦有相當(dāng)難度。90年代的微處理器運(yùn)算速度不足以擔(dān)當(dāng)此重任，2000年代高速奔騰處理器的運(yùn)算能力才使難題得到解決。奔騰處理器主要用于事務(wù)處理，但是它的快速多重累加運(yùn)算正好適合IIR運(yùn)算，有兩個(gè)DSP加速指令，即多媒體擴(kuò)展(MMX)和數(shù)據(jù)流單指令/多重?cái)?shù)據(jù)擴(kuò)展(SSE)起著重要作用。MMX和SSE在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行4次多重累加，達(dá)到每秒100億次浮點(diǎn)運(yùn)算(10×109FLOPS)以滿足長數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)時(shí)，每取樣點(diǎn)需要3000次FLOPS的數(shù)據(jù)處理速度。

　　力科公司為了數(shù)字示波器帶寬從10 GHz提高至20 GHz，開發(fā)出兩路10 GHz通道頻率疊加構(gòu)成20 GHz帶寬的專利電路，代替業(yè)界常用的兩路20GS/s取樣率疊加構(gòu)成40GS/s取樣率的電路。無論頻率疊加或取樣率疊加，都會(huì)遇到硬件在交疊過程中產(chǎn)生頻率響應(yīng)誤差或取樣時(shí)鐘誤差，需要包括濾波、多重累加等許多信號(hào)處理算法，以修正硬件導(dǎo)致的誤差。力科公司能夠巧用DSP波波器，推進(jìn)數(shù)字示波器的DSP帶寬達(dá)到20 GHz的經(jīng)驗(yàn)，值得在開發(fā)數(shù)字測(cè)量系統(tǒng)時(shí)作為參考。