高速數字存儲示波器中的數字信號處理技術研究

黃祥就

摘要：數字示波器具有采集數據、A/D轉換及進行軟件編程的相關功能，高速數字存儲示波器具有高采樣、準確重建原信號的優勢。伴隨數字技術的不斷發展演變，集成電路技術不斷發展，微處理器技術亦是呈現飛速發展態勢，其均促使高速數字存儲示波器的誕生以及發展應用。本文研究主要探究高速數字存儲示波器的常用數字信號處理技術—信號插值技術，以期為示波器的發展更進提供指導。

關鍵詞：高速數字存儲示波器;數字信號處理技術;信號插值技術

目前，我國在數字存儲示波器的研究以及生產中尚處于初級階段，市場上高端的數字存儲示波器幾乎為國外知名品牌，國內品牌寥寥無幾^[1]。研發我國自有的高速數字存儲示波器，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極為重要^[2]。本文主要闡述高速數字存儲示波器的發展現狀，簡述其基本應用原理，并深入分析高速數字存儲示波器的信號插值技術，以期為我國自主研發并掌握高速數字存儲示波器技術提供參考。

一、高速數字存儲示波器的發展現狀

電子測量領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測信號。此外，其可用于頻率、電壓、電流等等的監測。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、現代武器、電子通信系統以及高速集成電路等領域均需要高速、精準、數字化采集以及處理信號的設備，高速數字存儲示波器即可直接性用于上述領域產品的測試^[3]?，F代數字化技術以及計算機技術等飛速發展，基于此背景下，示波器的研發更新成為主流發展趨勢。目前國內外市場的高速數字存儲示波器多數為國外相關產品，其市場壟斷性極高。我國對于高度數字存儲示波器的研發相對較為落后，目前僅有少數低端數字存儲示波器的生產商。要想真正有效運用高速數字化存儲示波器，尚需研發具有自主知識產權的自有高速數字化存儲示波器品牌^[4]。

二、高速數字存儲示波器的基本應用原理

高速數字存儲示波器的主要構成模塊分為四大模塊，分別為：垂直通道模塊、I/O模塊、數據采集以及數據處理模塊、輔助電路模塊。高速數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，而后放大的信號經過耦合作用加入直流偏置，是電壓控制在轉換電壓標準范圍內。然后，數據采集以及數據處理模塊發揮信號存儲作用。上述過程重復進行，在相應的觸發條件下即可中斷，進而釋放存儲數據加以顯示，獲取信號波形^[5]。

三、高速數字存儲示波器的信號插值技術

在高速數字存儲示波器的實際應用過程中，因終端傳輸線錯失而造成的串擾、電位跳動均為非規律性發生，此外，因總線競爭現象，易于出現毛刺以及沖擊。故除外高實時采樣效率外，高速數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字存儲示波器對于信號的恢復以及重建。實現高速數字存儲示波器信號波形分析功能的即為信號插值技術的應用。高速數字存儲示波器的信號插值技術主要分為線性插值以及正弦插值^[6]。

（一）高速數字存儲示波器的線性內插技術

所謂線性內插技術，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，各個信號周期內可以獲取多于10個的原始采樣點，即可實現數據的整體性采集存儲，進而轉化重建信號波形。

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

線性內插算法的應用相對較為簡單，其具有較高的計算速度。但是，高速數字存儲示波器的線性插值算法計算依據并非波形特征，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間范圍內，該項缺陷更為顯著。其計算誤差不便推導，故只能采取多次重復嘗試的方法加以調整改進。

（二）高速數字存儲示波器的正弦內插技術

高速數字存儲示波器的另一插值技術即為正弦內插技術。正弦內插技術不同于線性內插技術，其主要應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。正弦內插技術具有極強的通用性。通過正弦內插技術進行高速數字存儲示波器的波形重建，可以在采樣點數量較少的情況下獲取波形。采樣速率是指高速數字存儲示波器進行相關信號采樣時的不失真頻率。常規狀態下，在一定的范圍內，可以進行高速數字存儲示波器不失真頻率的調節。在連續信號以及無限時間的特定條件下，高速數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事件丟失情況。因此，選擇正弦內插算法的時候，為了保障其信號采集獲取波形的準確性，高速數字存儲示波器應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、高速數字存儲示波器選取的信號重建方式。

（三）高速數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以及相關插值參數。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量相等，則需要按照上述常規情況選擇算法。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

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

參考文獻

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

（作者單位：南寧富桂精密工業有限公司）