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高端示波器中的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)

發(fā)布時(shí)間:2019-07-12 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】圖1是90000-X示波器的捕獲板。90000-X示波器使用磷化銦技術(shù),其硬件帶寬可達(dá)33GHz,實(shí)時(shí)采樣率可達(dá)80GSa/s,存儲(chǔ)深度可達(dá)2GB。這些指標(biāo)都達(dá)到了業(yè)界頂尖的水平。
 
但是隨著采樣速率和存儲(chǔ)深度的提升,數(shù)字信號(hào)處理能力成為一大挑戰(zhàn),傳統(tǒng)的使用內(nèi)置計(jì)算機(jī)的Matlab軟件處理方式已經(jīng)不能滿足測(cè)試速度的要求?,F(xiàn)在,90000和90000-X示波器采用FPGA硬件進(jìn)行數(shù)字信號(hào)的處理,代表了示波器數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)發(fā)展的方向。
 
高端示波器中的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)
 
90000和90000-X示波器的FPGA執(zhí)行了如下處理,大幅度提升了示波器響應(yīng)的速度;其FPGA也集成了嵌入去嵌入和精密探頭校準(zhǔn)算法,也大幅度提升了測(cè)試精度。
 
1、MegaZoom處理核
 
MegaZoom處理核集成在FGPA內(nèi)部,它對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行管理。首先是使用乒乓處理技術(shù),把存儲(chǔ)器分為兩部分,一部分捕獲數(shù)據(jù)時(shí),另一部分在傳遞數(shù)據(jù)。這樣波形更新速度可提升一倍。
 
MegaZoom也進(jìn)行壓縮處理,進(jìn)行屏幕顯示波形數(shù)據(jù)運(yùn)算,只傳遞需要顯示的數(shù)據(jù)到示波器屏幕上,這樣刷新速率會(huì)提升許多倍。一旦需要測(cè)量數(shù)據(jù),再把數(shù)據(jù)傳遞給內(nèi)部計(jì)算機(jī)進(jìn)行參數(shù)計(jì)算?,F(xiàn)在已經(jīng)能夠用FPGA處理一部分測(cè)量參數(shù)了,只傳遞測(cè)量參數(shù),速度又將大幅提升。
 
2、FPGA進(jìn)行波形參數(shù)測(cè)量
 
現(xiàn)在已經(jīng)把一部分測(cè)試參數(shù)用FPGA實(shí)現(xiàn)了,未來會(huì)把主要的測(cè)量參數(shù)都用FPGA實(shí)現(xiàn),整個(gè)示波器的速度又會(huì)大幅度提升。
 
3、FPGA進(jìn)行正弦內(nèi)插
 
傳統(tǒng)的示波器的Sinx/x正弦內(nèi)插是用內(nèi)置計(jì)算機(jī)的Matlab來實(shí)現(xiàn),一旦設(shè)置的存儲(chǔ)深度比較深,則示波器的速度會(huì)變得很慢,現(xiàn)在用FPGA來實(shí)現(xiàn),則沒有這樣的瓶頸。
 
4、FPGA進(jìn)行幅度和相位修正
 
硬件放大器、采樣保持電路的幅頻和相頻響應(yīng)沒法做到很完美,那用FPGA進(jìn)行幅度和相位修正是理想化頻響的正當(dāng)方法。有的示波器也可以用這種修正來提升或降低示波器的帶寬。圖2是提升示波器帶寬的方法,應(yīng)用一個(gè)高通濾波器(圖2綠色曲線),提升示波器帶寬(原來硬件帶寬曲線是紅色曲線)到更高數(shù)量級(jí)(藍(lán)色曲線)。
 
高端示波器中的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)
圖2. DSP提升示波器帶寬的方法
 
5、FPGA進(jìn)行觸發(fā)抖動(dòng)修正
 
硬件觸發(fā)器的觸發(fā)抖動(dòng)一般是1PS以上,可以用FPGA進(jìn)行觸發(fā)抖動(dòng)修正到100fs量級(jí),這樣提升了單個(gè)波形的觸發(fā)精度。但是沒法修正雙通道的時(shí)間偏差不確定度。
 
6、FPGA進(jìn)行FFT運(yùn)算和頻譜觸發(fā)
 
用FPGA進(jìn)行FFT運(yùn)算可大幅度提升FFT處理的速度,并且可以進(jìn)行頻譜觸發(fā)。用內(nèi)置計(jì)算機(jī)的Matlab進(jìn)行FFT處理,當(dāng)內(nèi)存深度設(shè)置比較深時(shí)一般較慢,也沒法進(jìn)行頻譜觸發(fā)。
 
7、FPGA執(zhí)行嵌入和去嵌入處理,執(zhí)行精密探頭校準(zhǔn)參數(shù)的處理
 
用FPGA執(zhí)行嵌入和去嵌入處理,大幅度提升了響應(yīng)速度。
 
由于精密探頭校準(zhǔn)參數(shù)類似于S參數(shù),校準(zhǔn)參數(shù)表的數(shù)據(jù)量比較大,只有用FPGA進(jìn)行處理,才能滿足速度的要求。
 
8、FPGA執(zhí)行協(xié)議觸發(fā)和協(xié)議譯碼
 
示波器做總線的協(xié)議分析是示波器應(yīng)用方向之一,但是用軟件做協(xié)議譯碼速度比較慢,用軟件只能進(jìn)行協(xié)議搜索,而不能進(jìn)行協(xié)議觸發(fā)?,F(xiàn)在一些示波器如3000-X示波器已經(jīng)用處理器實(shí)現(xiàn)了這個(gè)功能,使得譯碼速度很快,而且可以進(jìn)行協(xié)議的硬件觸發(fā)。高端示波器用FPGA實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能也在研發(fā)之中。
 
小結(jié):
 
高端示波器用FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)正在不斷提升中,這必將大幅度提升示波器的響應(yīng)速度和精度。這是示波器R&D關(guān)鍵工作之一。
 
 
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