高端示波器中的數字信號處理技術

時間:2019-07-10

  

      图1. 90000-X示波器捕获板
  圖1是90000-X示波器的捕獲板。90000-X示波器使用磷化铟技術,其硬件帶寬可達33GHz,實時采樣率可達80GSa/s,存儲深度可達2GB。這些指標都達到了業界頂尖的水平。但是隨著采樣速率和存儲深度的提升,數字信號處理能力成爲一大挑戰,傳統的使用內置計算機的Matlab軟件處理方式已經不能滿足測試速度的要求。現在,90000和90000-X示波器采用FPGA硬件進行數字信號的處理,代表了示波器數字信號處理技術發展的方向。
  90000和90000-X示波器的FPGA執行了如下處理,大幅度提升了示波器響應的速度;其FPGA也集成了嵌入去嵌入和精密探頭校准算法,也大幅度提升了測試精度。
  1、MegaZoom處理核
  MegaZoom處理核集成在FGPA內部,它對存儲器進行管理。首先是使用乒乓處理技術,把存儲器分爲兩部分,一部分捕獲數據時,另一部分在傳遞數據。這樣波形更新速度可提升一倍。
  MegaZoom也進行壓縮處理,進行屏幕顯示波形數據運算,只傳遞需要顯示的數據到示波器屏幕上,這樣刷新速率會提升許多倍。一旦需要測量數據,再把數據傳遞給內部計算機進行參數計算。現在已經能夠用FPGA處理一部分測量參數了,只傳遞測量參數,速度又將大幅提升。
  2、FPGA進行波形參數測量
  現在已經把一部分測試參數用FPGA實現了,未來會把主要的測量參數都用FPGA實現,整個示波器的速度又會大幅度提升。
  3、FPGA進行正弦內插
  傳統的示波器的Sinx/x正弦內插是用內置計算機的Matlab來實現,一旦設置的存儲深度比較深,則示波器的速度會變得很慢,現在用FPGA來實現,則沒有這樣的瓶頸。
  4、FPGA進行幅度和相位修正
  硬件放大器、采樣保持電路的幅頻和相頻響應沒法做到很完美,那用FPGA進行幅度和相位修正是理想化頻響的正當方法。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,應用一個高通濾波器(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)到更高數量級(藍色曲線)。

  图2. DSP提升示波器带宽的方法
  5、FPGA進行觸發抖動修正
  硬件觸發器的觸發抖動一般是1PS以上,可以用FPGA進行觸發抖動修正到100fs量級,這樣提升了單個波形的觸發精度。但是沒法修正雙通道的時間偏差不確定度。
  6、FPGA進行FFT運算和頻譜觸發
  用FPGA進行FFT運算可大幅度提升FFT處理的速度,並且可以進行頻譜觸發。用內置計算機的Matlab進行FFT處理,當內存深度設置比較深時一般較慢,也沒法進行頻譜觸發。
  7、FPGA執行嵌入和去嵌入處理,執行精密探頭校准參數的處理
  用FPGA執行嵌入和去嵌入處理,大幅度提升了響應速度。
  由于精密探頭校准參數類似于S參數,校准參數表的數據量比較大,只有用FPGA進行處理,才能滿足速度的要求。
  8、FPGA執行協議觸發和協議譯碼
  示波器做總線的協議分析是示波器應用方向之一,但是用軟件做協議譯碼速度比較慢,用軟件只能進行協議搜索,而不能進行協議觸發。現在一些示波器如3000-X示波器已經用處理器實現了這個功能,使得譯碼速度很快,而且可以進行協議的硬件觸發。高端示波器用FPGA實現這個功能也在研發之中。
  小結:
  高端示波器用FPGA實現數字信號處理技術正在不斷提升中,這必將大幅度提升示波器的響應速度和精度。這是示波器R&D關鍵工作之一。

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