DSP滤波器的运用规模
DSP在数字化丈量体系中有多种功用获得广泛选用，它们可改善有限取样率引起的频率呼应、相位呼应、噪声功用、带宽扩展等目标。数字化丈量体系（如数字化仪、数字示波器）的DSP装备如图1所示，DSP对A/D转化后的模仿信号数据流进行数字处理，最常用的功用有快速傅立叶改换（FFT）、数字调制、增益操控、编码/解码等在数字通信中广为人知的运算，而在数字化丈量体系中最重要的功用是数字滤波器，DSP滤波器作为软件滤波器可以供给比硬件滤波器更优异的特性。数字化丈量体系对被测波形的数学运算即可运用有限冲激呼应（FIR）滤波器，亦可运用无限冲激呼应（IIR）滤波器，DSP滤波器可视为一种批改波形形状的数学程序。依据要求咱们可规划出特定的滤波器，把波形改换成所期望的任何形状。因为从广义上来看，处理信号的任何体系都可视为滤滤器，以数字示波器为例，它的DC输入通道是低通滤波器，3dB滚降点便是它的频率带宽，在AC输入情况下它便是带通滤波器。DSP滤波器的首要运用如下：
波形重建
数字示滤器受A/D转化器取样率的约束，波形的取样点是有限的和非接连的，为了便于调查，有必要对改换后的离散样点作波形重建，亦即在样点之间添加数据点，使数字化后的波形具有更好的可视性和丈量精度。在实时数字示波器中，对被测信号只要单次数据收集，选用软件波形重建是仅有的挑选。
最简略的波形重建是线性内插滤波器，显着将两取样点作直线衔接后的重建波形不行滑润，在波形骤变段的可视性更差。更精确的波形重建选用Sinx函数的内插滤波器，Sin（x）/X内插滤波器可获得滑润的波形重建和更精确的绝对值，并且不会引进混杂频率。依据取样原理，界说取样频率fs=2fN，fN是奈奎斯特频率，亦即fN是数字化后的最高频率，需求选用砖墙型滤波器按捺fN以上频率，否则将引进混杂频率，发生不行承受的丈量差错。例如数字示滤器选用20GS/s的取样率的，fN等于10GHz。为了确保获得最高10GHz的带宽，有必要选用10GHz的砖墙型硬件滤波器。如图2所示，红线（右）标明10GHz的fN砖墙型滤波器，这种理论滤波器实际上无法用硬件来完成的。传统上模仿示波器选用高斯型滚降特性，用绿线（左）标明的-3dB带宽是5GHz，因为滚降曲线的下降段十分缓慢，在-3dB点后边还有超越奈奎斯特频率的高频重量，如图中斜线部分所示。因此，数字示波器不选用高斯呼应滤波器而选用最大滑润呼应滤波器，用篮线（中）标明的-3dB带宽到达8GHz。这种高防最大滑润呼应滤波器使数字示波器的带宽挨近奈奎斯特频率，在A/D转化器的取样率是20GS/s下，经过Sin（x）/x滤波器使波形重建和DSP滤波处理后，可获得8GHz的-3dB带宽。亦即，选用Sin（x）/x滤波器的波形重建可以获得0.4倍取样频率fs的带宽。
起伏滑润
数字化丈量体系因为硬件的不均匀性，导导致频率特性在通带内不行滑润，数字示波器的频率呼应特性曲线在低频段具有共同的起伏，然后进入高频的滚降段，如图2的绿线所示。实际上，频率呼应曲线在中频段开端变差，在某些频点上硬领会衰减或建峰信号，特别是挨近带宽限值时呈现频率呼应的反常峰值。依照频率带宽的界说，只提及-3dB滚降点，故电路规划工程师为了扩展带宽，在高频段参加建峰补偿。图3是某种数字示波器的实测频率呼应曲线，红线（上）标明具有6GHz的实时带宽，但一起可见在3.5GHz和5.5GHz别离呈现+1dB和+2dB的建峰呼应。因为示波器供货商不供给频率呼应的不平坦度数据，只按-3dB确认实时带宽，这样必定引进起伏丈量的严峻差错。
选用DSP起伏滑润滤波器可以显着改善数字示波器的频率呼应起伏差错，篮线（下）是批改后的频率呼应，起伏差错操控在1dB以内，带宽依然坚持6GHz，而本来从3 GHz至5 GHz的建峰得到滑润。这种从硬件滤波器到达使频率呼应建峰，再从软件滤波器使频率呼应滑润，对具有高取样率的数字示波器来说，它是十分有用的硬件/软件相结合的扩展带宽和进步起伏平坦度的方法。
相位校对
数字信号一般由基波和很多谐波组成，数字丈量体系除了确保被测信号的起伏—频率呼应之外，关于相位—频率呼应亦不该引进相位推迟。因为数字示波器的硬件往往使高频谐波发生相移，效果是信号的群推迟添加。为了消除群推迟导致信号失真，只要进步仪器的带宽或由DSP滤波器作相位校对，显着后者是最经济有用的方法。凭借与起伏平坦运用的FIR滤波器的类似规划，不难使重建波形的群延减小，使被测高速数字波形的瞬态失真坚持在最低限值以内。
噪声下降
依据白噪声的广谱散布特性，数字丈量体系的带宽越高则背境噪声越大，运用屡次均匀或DSP滤波器可显着下降背境噪声，对实时数字示波器来说，只要DSP滤波器是可行的方法。可是，FIR滤波器在下降噪声的一起，也导致实时带宽的减小，因此，规划工程师有必要在噪声与带宽之间作出折衷。
带宽进步
如上所述，运用Sinx函数的波形重建可获得滑润下降的频率特性，不会发生混杂频率，但-3dB带宽只要取样频率的1/4（BW=1/4fs），并且在奈奎斯特频率fN至取样频率fs之间还有高频重量存在（图2中的斜线部分）。数字示波器灵活运用进步高频起伏的DSP滤波器，与本来sinX函数的滑润下降起伏相加，形成了挨近砖墙型的高频下降频率呼应曲线，使-3dB带宽得到扩展。如图4所示，下面是sinX/X曲线，上面是带宽进步滤波器曲线，中心是补偿后的频率呼应曲线，补偿后的曲线使-3dB带宽添加，形状更像砖墙。为了清晰区别数字示波器由硬件获得的sinX函数频响特性和由DSP滤波器进步的频响特性，将前者标为数字示波器模仿带宽，后者称为DSP带宽。清楚明了，DSP带宽的扩展导致背境噪声的添加，怎么归纳平衡带宽与噪声的取舍，将由规划工程师视被测信号而定。一般情况下，仪器供货商为用户供给多种DSP带宽作为选项，在确保模仿带宽的前提下，获得对被测信号最有利的DSP带宽。
DSP滤波器的运用实例
DSP滤波器在数字丈量仪器的几项运用实例：
仪器业界中，运用DSP改善测验仪器高频特性的供货商首推安捷伦公司，它在高级网络剖析仪、频谱剖析仪中成功地引进DSP带宽进步滤波器。在时域反射计最早选用DSP带宽进步技能将阶跃脉冲的上升边缘“标称化”，使地道二极管的重建滤形更快速、噪声下降、颤动减小，然后进步丈量反射波和反射系数的读数精确度。时域反射计的“标称化”技能至今还被仪器业界所选用，加上时域反射计可运用重复取样，更简单发挥DSP滤波器的特色。近几年来，安捷伦扩展DSP滤波器技能至数字存储示波器，例如54855A全面运用FIR数字滤波器，将模仿带宽6GHz进步至DSP带宽7GHz。在充分运用前文介绍的五种DSP滤波器和硬件的合作下，获得杰出的功用进步：
取样率20GS/s和分辨率8位时，模仿带宽到达6GHz，起伏平坦性由1至2dB改善到0.5dB。
在幅一频呼应滑润和相一频呼应补偿后，单次数据收集的时刻丈量精确度由2ps以上改善到1ps。
硬件感应的背境噪声在笔直灵敏度100mV/格时为2.8mV（rms），运用DSP降噪波波器可改善到1.5mV（rsm）。
丈量上升时刻50Ps的规范阶跃脉冲时，运用模仿带宽6GHz（上升时刻70ps）的丈量效果是74ps，运用DSP带宽7 GHz的丈量效果是66ps，阐明FIR滤波器的带宽进步才能可有用改善高速数字信号的时刻丈量精确度。
值得注意的是DSP带宽引进的背境噪声的影响，模仿带宽6 GHz和笔直灵敏度100mV/格时背境噪声约3mV（rms），DSP带宽7 GHz时对背境噪声添加到6 mV（rms），亦即添加一倍。
归纳以上实测效果，安捷伦公司将54855A数字示波器的模仿带宽定为6 GHz，DSP带宽定为7GHz，这是归纳平衡全面目标的牢靠效果。
继54855A之后，安捷伦再推出80000B系列数字示波器，最高级的81004B、81204BB、81304B在取样率40GS/s和分辨率8位时，别离具有10 GHz、12 GHz、13 GHz的带宽，而相应背境噪声是342μV/格、387μV/格、419μV/格，触发颤动小于0.5ps。关于指数最高的81304B，它的模仿带宽是10 GHz，DSP带宽是13 GHz，相应背境噪声从342μV/格添加到419μV/格。相对54855A数字示波器来说取样率和带宽都添加一倍，但背境噪声并无成倍添加，标明硬件/软件的合作运用十分成功。
力科公司在数字化丈量体系中运用DSP滤波器具有独特的实践效果，前期的数字示波器选用DSP处理器的FIR滤波器，近期选用飞跃处理器的IIR滤波器，使DSP带宽从10 GHz进步到20 GHz。力科以为，数字示波器的前端放大器和数字化器彻底用硬件是很难完成10 GHz带宽的起伏和相位的平坦频率呼应。即便无法满意这样杂乱的结构，软件结构亦有适当难度。90年代的微处理器运算速度不足以担当此重担，2000年代高速飞跃处理器的运算才能才使难题得到解决。飞跃处理器首要用于事务处理，可是它的快速多重累加运算正好合适IIR运算，有两个DSP加快指令，即多媒体扩展（MMX）和数据流单指令/多重数据扩展（SSE）起着重要作用。MMX和SSE在一个时钟周期内履行4次多重累加，到达每秒100亿次浮点运算（10109FLOPS）以满意长数据收集和存储时，每取样点需求3000次FLOPS的数据处理速度。
力科公司为了数字示波器带宽从10 GHz进步至20 GHz，开宣布两路10 GHz通道频率叠加构成20 GHz带宽的专利电路，替代业界常用的两路20GS/s取样率叠加构成40GS/s取样率的电路。不管频率叠加或取样率叠加，都会遇到硬件在交叠进程中发生频率呼应差错或取样时钟差错，需求包含滤波、多重累加等许多信号处理算法，以批改硬件导致的差错。力科公司可以巧用DSP波波器，推进数字示波器的DSP带宽到达20 GHz的经历，值得在开发数字丈量体系时作为参阅。
泰克公司长时间领导数字示波器的开展，在运用DSP技能方面相同成绩突出，它的高级数字滤波器TDS6000系列选用恣意FIR滤波器来补偿一般和禁带的频响特性。它的恣意FIR滤波器的滤波系数是依据校准数据计算出来的，因此可以对每台示波器的各个通道的电压量程作精确补偿，确保某一类型的数字示波器具有规范化的频响特性。用户可运用不同类型的数字示波器获得相同的丈量效果，确保丈量重复性和共同性。别的，在扩展DSP带宽的一起，坚持扩展带所带来的噪声在适度规模内，泰克公司以为它的模仿前端电路具有较低的背境噪声，可以比竞争对手的高级数字示波器供给更高的DSP带宽，例如TDS6154C的模仿带宽是12 GHz，DSP带宽扩展到15 GHz，相应上升时刻从35ps进步到28ps。并且TDS6000系列都供给250MHz和20MHz 两种频率约束DSP的滤波器。
在波形重建和下降数字信号的瞬变失真方面，TDS6000系列的DSP滤波器运用亦有特色。TDS6124C和TDS6154C的最高实时取样率是40GS/s（25ps/点），凭借sinx/x函数的内插滤波器使时刻分辨率添加到2000GS/s（0.5ps/点），等效于取样率扩展250倍。还有，假如DSP滤波器在通带和禁带的滤波呼应不精确，则在数字信号的瞬态进程呈现预冲和过冲，并随同有衰减振动，这种现象称为吉布斯（Gibbs）效应。TDS6154C除了扩展DSP带宽至15 GHz，还要补偿相位的线性度，到达线性相移12.1度/ GHz，适当群延时33.5ps。此刻，吉布斯效应减至最小，瞬态进程的波形失真被约束在5%以内。
众所周知，第一代数字信号处理器的奉献是促进有线电话体系数字化，创始宽带数字网络，以及催生移动电话。第二代数字信号处理器推进消费电子，诞生了数字电视，高清晰度电视，数码相机，以及串流多媒体。数字信号处理器在数字化丈量仪器中的运用亦跟着添加，DSP滤波器获得的效果令人注目，往后必将呈现更多的DSP在丈量仪器中的运用效果。
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