DSP把示波器性能带入新水平

但是，这些挑战正变得越来越难以解决。在理想情况下，测量仪器的带宽应该超过被观察的目标设备的带宽。但是，示波器性能的基本指标 – 模拟带宽与数字网络交换单元一样，受到各种技术的限制。这两种平台都使用速度最快的半导体器件，都利用最新的内部信号传输和连接技术，都以当前技术能够支持的最高速率运行，都依赖为特定任务量身定制的集成电路 ( 如示波器的高速模数转换器 ) ，提供远远高于标准器件中提供的性能。

鉴于这些实际情况，怎样才能把示波器性能提升到全新水平呢？怎样才能支持下一代技术进步呢？

进入DSP

答案是数字信号处理技术 (DSP) 。实践证明，使用 DSP 可以扩展、事实上是可以增强原始模拟带宽。

DSP 是一门古老的学科。它采用sin x/x内插形式，出现在每台现代数字实时示波器中。现在， DSP 已经成为把示波器带宽扩展到当前模拟极限之上、改善整体测量精度的激活工具。

当前示波器市场顶层包括一系列模型，提供了几千赫兹的带宽。带宽为 6 GHz 和 8 GHz 的仪器正在进入工程设计部门和研发实验室，更高的带宽很快也将出现。几乎所有这些超高带宽工具都依赖某种形式的基于 DSP 的频率扩展技术，实现额定的性能。

DSP 有什么作用

某些示波器专门使用 DSP 扩展带宽，而带宽则是任何示波器公认的指标。在最简单的形式中， DSP 创建滤波功能，抵消指定频率范围顶端的滚降。为了解这一概念，我们将依次简要回顾基础知识。

在理想情况下，示波器会在大多数指定带宽 ( 从 DC 开始 ) 中表现出相当平滑均匀的模拟频响特点，然后在接近频率上限时逐渐滚降。因此，带宽定义为频响幅度相对于 DC 幅度降低 3 dB 的频率。业内把它速记为“ 3 dB 点”。

图 1 是具有 4 GHz 实际模拟带宽的 DSO 的一对频响图。蓝色虚线定义了教科书中完美的带宽包络，红线则接近实际环境中的示波器频响曲线。

图 1: 模拟带宽为 4 GHz 的示波器的频响曲线

在每个地方，红线都偏离理想包络，偏差成为测量的一部分。例如， 1 GHz 和 2 GHz 之间的下降意味着在该频段内，测得的信号在显示屏上将显示得略小于实际幅度。为获得最佳的信号保真度，使这些偏差达到最小至关重要。

现在考虑一下 图 2 。这是同一部示波器的 DSP 扩展后的频响曲线，现在作为 5 GHz 示波器提供。 3 dB 点实际上位于 5 GHz ，注意频率轴已经重新定标。 4 GHz 边界以外发生的情况在很大程度上依赖 DSP 实现技术的质量。

图 2: DSP 把 4 Ghz 频响扩展到 5 GHz.

DSP 频率扩展采用滤波的形式。每个工程师都知道，滤波器会引入相位位移及自己的非线性度。它采用非常灵敏的滤波器设计，产生可用的带宽扩展，同时最大限度地降低范围极限和其它地方的幅度畸变，并控制相位位移和失真。由于具有明显的优势， DSP 影响着测量结果。示波器开发人员面临的挑战是，保证 DSP 在广泛的应用中提供积极的优势，而消除不想要的负面效应。

FIR 和 DSP

很明显，设计人员实现稳定的、经过验证的滤波器结构，增强示波器中的带宽至关重要。正因如此，当前某些领先的高带宽 示波器 采用有限脉冲响应 (FIR) 滤波方案。与数字通信设备及其它地方常用的无限脉冲响应滤波器 (IIR) 不同， FIR 滤波器具有稳定性保障，可以提供完美的线性相位响应。此外， FIR 滤波器最适合根据需要，在示波器通道整个带宽上使用相位和幅度平衡。 FIR 滤波器已经进行调谐，以实现最优的阶跃响应。每个制造商会使用专有的精确转函，但其通常基于改进的高斯算法。