高速数字存储示波器中的数字信号处理技术研究

黄祥就

摘要：数字示波器具有采集数据、A/D转换及进行软件编程的相关功能，高速数字存储示波器具有高采样、准确重建原信号的优势。伴随数字技术的不断发展演变，集成电路技术不断发展，微处理器技术亦是呈现飞速发展态势，其均促使高速数字存储示波器的诞生以及发展应用。本文研究主要探究高速数字存储示波器的常用数字信号处理技术—信号插值技术，以期为示波器的发展更进提供指导。

关键词：高速数字存储示波器;数字信号处理技术;信号插值技术

目前，我国在数字存储示波器的研究以及生产中尚处于初级阶段，市场上高端的数字存储示波器几乎为国外知名品牌，国内品牌寥寥无几^[1]。研发我国自有的高速数字存储示波器，打破国外示波器品牌的市场垄断地位，提升我国在示波器市场的话语权极为重要^[2]。本文主要阐述高速数字存储示波器的发展现状，简述其基本应用原理，并深入分析高速数字存储示波器的信号插值技术，以期为我国自主研发并掌握高速数字存储示波器技术提供参考。

一、高速数字存储示波器的发展现状

电子测量领域的常见使用仪器之一即为示波器，示波器常用于观测波形，以便于直观可视化的监测信号。此外，其可用于频率、电压、电流等等的监测。电子示波器起源于20世纪40年代，美国泰克公司研制同步示波器成功，标志着示波器时代的到来。激光技术、现代武器、电子通信系统以及高速集成电路等领域均需要高速、精准、数字化采集以及处理信号的设备，高速数字存储示波器即可直接性用于上述领域产品的测试^[3]。现代数字化技术以及计算机技术等飞速发展，基于此背景下，示波器的研发更新成为主流发展趋势。目前国内外市场的高速数字存储示波器多数为国外相关产品，其市场垄断性极高。我国对于高度数字存储示波器的研发相对较为落后，目前仅有少数低端数字存储示波器的生产商。要想真正有效运用高速数字化存储示波器，尚需研发具有自主知识产权的自有高速数字化存储示波器品牌^[4]。

二、高速数字存储示波器的基本应用原理

高速数字存储示波器的主要构成模块分为四大模块，分别为：垂直通道模块、I/O模块、数据采集以及数据处理模块、辅助电路模块。高速数字存储示波器与模拟示波器存在相似之处，其在示波器输入端，输入信号的放大主要通过垂直通道模块控制信号，而后放大的信号经过耦合作用加入直流偏置，是电压控制在转换电压标准范围内。然后，数据采集以及数据处理模块发挥信号存储作用。上述过程重复进行，在相应的触发条件下即可中断，进而释放存储数据加以显示，获取信号波形^[5]。

三、高速数字存储示波器的信号插值技术

在高速数字存储示波器的实际应用过程中，因终端传输线错失而造成的串扰、电位跳动均为非规律性发生，此外，因总线竞争现象，易于出现毛刺以及冲击。故除外高实时采样效率外，高速数字存储示波器的信号波形分析功能极为重要。良好的信号波形分析功能有利于高速数字存储示波器对于信号的恢复以及重建。实现高速数字存储示波器信号波形分析功能的即为信号插值技术的应用。高速数字存储示波器的信号插值技术主要分为线性插值以及正弦插值^[6]。

（一）高速数字存储示波器的线性内插技术

所谓线性内插技术，表层含义解释即为将相互邻近的各个采样点，使用直线进行互连。使用直线连接的各个采样点之间直线距离相对较近，各个信号周期内可以获取多于10个的原始采样点，即可实现数据的整体性采集存储，进而转化重建信号波形。

高速数字存储示波器的线性内插技术计算过程相对简便，属于一种效果较为显著的计算近似函数值的方法。其采用折线代替曲线，实现各个采样点之间的直线性连接，将复杂运算简单化，采取定点运算实现数据采集以及存储。使用线性内插算法可以将较为复杂化的计算转化为表格化的格式话构造。线性内插算法复杂计算转化过程中，需要保证计算中数值不溢出构造表格，同时需要确保计算的高精度性。此外，插值空间范围内，需要确保符合运算的有效数据位数，以便于实现算法的化繁为简，保障高速数字存储示波器的信号处理实时性。

线性内插算法的应用相对较为简单，其具有较高的计算速度。但是，高速数字存储示波器的线性插值算法计算依据并非波形特征，虽然其计算较为快速且计算便捷，但是其对于波形的还原能力尚有欠缺之处，存在较大的局限性。此项局限致使其存在计算精度相对较低的缺陷，尤其是在曲率变化比较大的区间范围内，该项缺陷更为显著。其计算误差不便推导，故只能采取多次重复尝试的方法加以调整改进。

（二）高速数字存储示波器的正弦内插技术

高速数字存储示波器的另一插值技术即为正弦内插技术。正弦内插技术不同于线性内插技术，其主要应用幅度以及频率可变化的正弦拟合曲线将各个采样点相互連接。正弦内插技术具有极强的通用性。通过正弦内插技术进行高速数字存储示波器的波形重建，可以在采样点数量较少的情况下获取波形。采样速率是指高速数字存储示波器进行相关信号采样时的不失真频率。常规状态下，在一定的范围内，可以进行高速数字存储示波器不失真频率的调节。在连续信号以及无限时间的特定条件下，高速数字存储示波器进行高速信号采样时，其获取的信号波形中具有较高几率的信息丢失以及相关事件丢失情况。因此，选择正弦内插算法的时候，为了保障其信号采集获取波形的准确性，高速数字存储示波器应选取较原始信号频率2.5倍的采样频率。如示波器的采样速率达到了20GSample / s，带宽高达 4GHz，此类测量系统用单脉冲事件的捕获。具体采样频率的快慢主要取决于被测量波形的实际类型、高速数字存储示波器选取的信号重建方式。

（三）高速数字存储示波器处理算法的具体选择

为了获取高精度的波形，因此需要选择合适的插值技术以及相关插值参数。当测量正弦原始波形的时候，需要采取正弦插值算法以获取最佳波形效果。当测量方波原始波形以及三角原始波形的时候，需要采取线性插值算法以获取最佳的波形效果。如果原始采样点的数量相等，则需要按照上述常规情况选择算法。如果信号频率近似于奈奎斯特频率，则选择正弦插值算法，如果信号频率低于奈奎斯特频率，则选择线性插值算法。

四、小结

高速数字存储示波器是电子测量领域中的重要仪器。插值技术则为高速数字存储示波器的重要信号处理技术。本文基于高速数字存储示波器的信号处理技术研究，探讨线性内插技术以及正弦插值技术的基本情况，并对比两种插值技术的具体选择。通过全文探讨以及对比，希望为我国自主研发高速数字存储示波器提供基础性的理论阐述。

参考文献

[1] 张素贞，赵力，邹采荣，等. 数字存储示波器中插值算法的研究[J].电子器件，2010，33（5）：622-625.

[2] 丁昊，宋杰，关键，等. 基于TFT彩屏液晶的便携数字存储示波器[J].现代电子技术，2010，33（18）：166-169.

[3] 张海潮，王勇，邱攀攀，等. 正弦内插算法的FPGA实现[J].河南大学学报（自然科学版），2014，44（1）：94-98.

[4] 高大容，耿玉茹. 2 GSPS数字存储示波器插值算法[J].工业仪表与自动化装置，2014，（1）：98-101.

[5] 耿玉茹. 数字存储示波器的数字滤波和内插技术[D].电子科技大学，2008.

[6] 张慧. 数字存储示波器中的数字信号处理研究[D].东南大学，2006.

（作者单位：南宁富桂精密工业有限公司）