高端示波器中的数字信号处理技术

 

图1. 90000-X示波器捕获板

图1是90000-X示波器的捕获板。90000-X示波器使用磷化铟技术，其硬件带宽可达33GHz，实时采样率可达80GSa/s，存储深度可达2GB。这些指标都达到了业界顶尖的水平。但是随着采样速率和存储深度的提升，数字信号处理能力成为一大挑战，传统的使用内置计算机的Matlab软件处理方式已经不能满足测试速度的要求。现在，90000和90000-X示波器采用FPGA硬件进行数字信号的处理，代表了示波器数字信号处理技术发展的方向。

90000和90000-X示波器的FPGA执行了如下处理，大幅度提升了示波器响应的速度;其FPGA也集成了嵌入去嵌入和精密探头校准算法，也大幅度提升了测试精度。

1、MegaZoom处理核

MegaZoom处理核集成在FGPA内部，它对存储器进行管理。首先是使用乒乓处理技术，把存储器分为两部分，一部分捕获数据时，另一部分在传递数据。这样波形更新速度可提升一倍。

MegaZoom也进行压缩处理，进行屏幕显示波形数据运算，只传递需要显示的数据到示波器屏幕上，这样刷新速率会提升许多倍。一旦需要测量数据，再把数据传递给内部计算机进行参数计算。现在已经能够用FPGA处理一部分测量参数了，只传递测量参数，速度又将大幅提升。

2、FPGA进行波形参数测量

现在已经把一部分测试参数用FPGA实现了，未来会把主要的测量参数都用FPGA实现，整个示波器的速度又会大幅度提升。

3、FPGA进行正弦内插

传统的示波器的Sinx/x正弦内插是用内置计算机的Matlab来实现，一旦设置的存储深度比较深，则示波器的速度会变得很慢，现在用FPGA来实现，则没有这样的瓶颈。

4、FPGA进行幅度和相位修正

硬件放大器、采样保持电路的幅频和相频响应没法做到很完美，那用FPGA进行幅度和相位修正是理想化频响的正当方法。有的示波器也可以用这种修正来提升或降低示波器的带宽。图2是提升示波器带宽的方法，应用一个高通滤波器(图2绿色曲线)，提升示波器带宽(原来硬件带宽曲线是红色曲线)到更高数量级(蓝色曲线)。

 

 

图2. DSP提升示波器带宽的方法

5、FPGA进行触发抖动修正

硬件触发器的触发抖动一般是1PS以上，可以用FPGA进行触发抖动修正到100fs量级，这样提升了单个波形的触发精度。但是没法修正双通道的时间偏差不确定度。

6、FPGA进行FFT运算和频谱触发

用FPGA进行FFT运算可大幅度提升FFT处理的速度，并且可以进行频谱触发。用内置计算机的Matlab进行FFT处理，当内存深度设置比较深时一般较慢，也没法进行频谱触发。

7、FPGA执行嵌入和去嵌入处理，执行精密探头校准参数的处理

用FPGA执行嵌入和去嵌入处理，大幅度提升了响应速度。

由于精密探头校准参数类似于S参数，校准参数表的数据量比较大，只有用FPGA进行处理，才能满足速度的要求。

8、FPGA执行协议触发和协议译码

示波器做总线的协议分析是示波器应用方向之一，但是用软件做协议译码速度比较慢，用软件只能进行协议搜索，而不能进行协议触发。现在一些示波器如3000-X示波器已经用处理器实现了这个功能，使得译码速度很快，而且可以进行协议的硬件触发。高端示波器用FPGA实现这个功能也在研发之中。

小结：

高端示波器用FPGA实现数字信号处理技术正在不断提升中，这必将大幅度提升示波器的响应速度和精度。这是示波器R&D关键工作之一。