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1、DSP滤波器用于扩展数字化仪器的性能摘要：实现了一种全集成可变带宽中频宽带低通滤波器，讨论分析了跨 导放大器-电容(OTA-C)连续时间型滤波器的结构、设计和具体实现，使 用外部可编程电路对所设计滤波潜带宽进行控制，并利用ADS软件进行 电路设计和仿真验证。仿真结果表明，该滤波潜带宽的可调范围为126 MHz,阻带抑制率大于35 dB,带内波纹小于0. 5 dB,采用1. 8 V电 源，TSMC 0. 18 nm CMOS工艺库仿真，功耗小于21 mW,频响曲线接近 理想状态。关键词：ButteDSP滤波器的应用范围DSP在数字化测量系统中有多种功能获得广泛采用，它们可改善有限取样 率引起的频
2、率响应、相位响应、噪声性能、带宽扩展等指标。数字化测 量系统(如数字化仪、数字示波器)的DSP配置如图1所示，DSP对A/D转 换后的模拟信号数据流进行数字处理，最常用的功能有快速傅立叶变换 (FFT)、数字调制、增益控制、编码/解码等在数字通信中广为人知的运 算，而在数字化测量系统中最重要的功能是数字滤波器，DSP滤波器作为 软件滤波潜能够提供比硬件滤波港更优异的特性。数字化测量系统对被 测波形的数学运算即可使用有限冲激响应(FIR)滤波器，亦可使用无限冲 激响应(IIR)滤波器，DSP滤波器可视为一种修改波形形状的数学程序。 根据要求我们可设计出特定的滤波器，把波形变换成所希望的任何形 状
3、。因为从广义上来看，处理信号的任何系统都可视为滤滤器，以数字 示波潜为例，它的DC输入通道是低通滤波器，3dB滚降点就是它的频率 带宽，在AC输入情况下它就是带通滤波器。DSP滤波器的主要应用如 下：波形重建数字示滤器受A/D转换器取样率的限制，波形的取样点是有限的和非连 续的，为了便于观察，必须对变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测量精度。 在实时数字示波器中，对被测信号只有单次数据采集，采用软件波形重 建是唯一的选择。最简单的波形重建是线性内插滤波器，显然将两取样点作直线连接后的 重建波形不够平滑，在波形突变段的可视性更差。更精确的波
4、形重建采 用Sinx函数的内插滤波潜，Sin(x)/X内插滤波潜可获得平滑的波形重建 和更准确的绝对值，而且不会引入混淆频率。根据取样原理，定义取样 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 要采用砖墙型滤波器抑制fN以上频率，否则将引入混淆频率，产生不可 接受的测量误差。例如数字示滤器采用20GS/s的取样率的，fN等于 lOGHzo为了保证获得最高10GHz的带宽，必须采用10GHz的砖墙型硬件 滤波器。如图2所示，红线（右）表示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实现的。传统上模拟示波器采用高斯型滚 降特性，用绿线（左）表示的-
5、3dB带宽是5GHz,由于滚降曲线的下降段非 常缓慢，在-3dB点后面还有超过奈奎斯特频率的高频分量，如图中斜线 部分所示。因此，数字示波涔不采用高斯响应滤波器而采用最大平滑响 应滤波器，用篮线（中）表示的-3dB带宽达到8GHz。这种高防最大平滑响 应滤波器使数字示波器的带宽接近奈奎斯特频率，在A/D转换器的取样 率是20GS/s下，通过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,采用Sin（x）/x滤波器的波形重建能够 获得0.4倍取样频率fs的带宽。幅度平滑数字化测量系统由于硬件的不均匀性，导导致频率特性在通带内不够平 滑，数字示波潜的频率响
6、应特性曲线在低频段具有一致的幅度，然后进 入高频的滚降段，如图2的绿线所示。实际上，频率响应曲线在中频段 开始变差，在某些频点上硬体会衰减或建峰信号，特别是接近带宽限值 时出现频率响应的异常峰值。按照频率带宽的定义，只提及-3dB滚降 点，故电路设计工程师为了扩展带宽，在高频段加入建峰补偿。图3是 某种数字示波潜的实测频率响应曲线，红线（上）表明具有6GHz的实时带 宽，但同时可见在3. 5GHz和5. 5GHz分别出现+ldB和+2dB的建峰响应。 由于示波器供应商不提供频率响应的不平整度数据，只按-3dB确定实时 带宽，这样必然引入幅度测量的严重误差。采用DSP幅度平滑滤波器能够明显改善数
7、字示波器的频率响应幅度误 差，篮线（下）是修正后的频率响应，幅度偏差控制在ldB以内，带宽仍 然保持6GHz,而原来从3 GHz至5 GHz的建峰得到平滑。这种从硬件滤 波器达到使频率响应建峰，再从软件滤波器使频率响应平滑，对具有高 取样率的数字示波器来说，它是十分有效的硬件/软件相结合的扩展带宽 和提高幅度平整度的方法。相位校正数字信号通常由基波和大量谐波组成，数字测量系统除了保证被测信号 的幅度一频率响应之外，对于相位一频率响应亦不应引入相位延迟。由 于数字示波器的硬件往往使高频谐波产生相移，结果是信号的群延迟增 加。为了消除群延迟导致信号失真，只有提高仪器的带宽或由DSP滤波 器作相位校
8、正，显然后者是最经济有效的办法。借助及幅度平整使用的FIR滤波器的相似设计，不难使重建波形的群延减小，使被测高速数字波 形的瞬态失真保持在最低限值以内。噪声降低根据白噪声的广谱分布特性，数字测量系统的带宽越高则背境噪声越 大，使用多次平均或DSP滤波器可明显降低背境噪声，对实时数字示波 器来说，只有DSP滤波器是可行的办法。但是，FIR滤波器在降低噪声的 同时，也导致实时带宽的减小，因此，设计工程师必须在噪声及带宽之 间作出折衷。带宽提升如上所述，使用Sinx函数的波形重建可获得平滑下降的频率特性，不会 产生混淆频率，但-3dB带宽只有取样频率的1/4（BW二l/4fs）,而且在奈 奎斯特频率
9、fN至取样频率fs之间还有高频分量存在（图2中的斜线部 分）。数字示波器灵巧运用提升高频幅度的DSP滤波器，及原来sinX函 数的平滑下降幅度相加，形成了接近砖墙型的高频下降频率响应曲线， 使-3dB带宽得到扩展。如图4所示，下面是sinX/X曲线，上面是带宽提 升滤波器曲线，中间是补偿后的频率响应曲线，补偿后的曲线使-3dB带 宽增加，形状更像砖墙。为了明确区分数字示波器由硬件获得的sinX函 数频响特性和由DSP滤波器提升的频响特性，将前者标为数字示波器模 拟带宽，后者称为DSP带宽。显而易见，DSP带宽的扩展导致背境噪声的 增加，如何综合平衡带宽及噪声的取舍，将由设计工程师视被测信号而
10、定。一般情况下，仪器供应商为用户提供多种DSP带宽作为选项，在保 证模拟带宽的前提下，获得对被测信号最有利的DSP带宽。DSP滤波器的应用实例DSP滤波器在数字测量仪器的几项应用实例：仪器业界中，使用DSP改善测试仪器高频特性的供应商首推安捷伦公 司，它在高档网络分析仪、频谱分析仪中成功地引入DSP带宽提升滤波 器。在时域反射计最早采用DSP带宽提升技术将阶跃脉冲的上升边沿 “标称化”，使隧道二极管的重建滤形更快速、噪声降低、抖动减小， 从而提高测量反射波和反射系数的读数准确度。时域反射计的“标称 化”技术至今还被仪器业界所采用，加上时域反射计可使用重复取样， 更容易发挥DSP滤波器的特点。近
11、几年来，安捷伦扩大DSP滤波器技术 至数字存储示波器，例如54855A全面使用FIR数字滤波器，将模拟带宽 6GHz提高至DSP带宽7GHzo在充分利用前文介绍的五种DSP滤波港和硬 件的配合下，获得良好的性能提升： 取样率20GS/s和分辨率8位时，模拟带宽达到6GHz,幅度平整性由 1 至2dB 改进到0. 5dBo 在幅一频响应平滑和相一频响应补偿后，单次数据采集的时间测量准 确度由2ps以上改进到Ips。 硬件感应的背境噪声在垂直灵敏度lOOmV/格时为2. 8mV (rms),利用 DSP降噪波波器可改善到1. 5mV(rsm)。 测量上升时间5OPs的标准阶跃脉冲时，使用模拟带宽6
12、GHz (上升时间 70Ps)的测量结果是74ps,利用DSP带宽7 GHz的测量结果是66ps,说 明FIR滤波器的带宽提升能力可有效改进高速数字信号的时间测量准确 度。 值得注意的是DSP带宽引入的背境噪声的影响，模拟带宽6 GHz和垂 直灵敏度lOOmV/格时背境噪声约3mV(rms), DSP带宽7 GHz时对背境噪 声增加到6 111V(rms),亦即增加一倍。综合以上实测结果，安捷伦公司将54855A数字示波器的模拟带宽定为6 GHz, DSP带宽定为7GHz,这是综合平衡全面指标的可靠结果。继54855A之后，安捷伦再推出80000B系列数字示波器，最高档的 81004B、812
13、04BB. 81304B在取样率40GS/s和分辨率8位时,分别具有 10 GHz、12 GHz、13 GHz的带宽，而相应背境噪声是342 u V/格、 387 nV/格、419 nV/格,触发抖动小于0. 5ps。对于指数最高的 81304B,它的模拟带宽是10 GHz, DSP带宽是13 GHz,相应背境噪声从 342 P V/格增加到419 u V/格。相对54855A数字示波器来说取样率和带宽 都增加一倍，但背境噪声并无成倍增加，表明硬件/软件的配合应用非常 成功。力科公司在数字化测量系统中运用DSP滤波器具有独到的实践结果，早 期的数字示波器采用DSP处理器的FIR滤波器，近期采用
14、奔腾处理器的 IIR滤波器，使DSP带宽从10 GHz提高到20 GHz。力科认为，数字示波 器的前端放大器和数字化器完全用硬件是很难实现10 GHz带宽的幅度和 相位的平整频率响应。即使无法满足这样复杂的结构，软件结构亦有相 当难度。90年代的微处理器运算速度不足以担当此重任，2000年代高速 奔腾处理港的运算能力才使难题得到解决。奔腾处理器主要用于事务处 理，但是它的快速多重累加运算正好适合IIR运算，有两个DSP加速指 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在一个时钟周期内执行4次多重累加，达到每秒100亿次 浮点运算(10X109
15、FL0PS)以满足长数据采集和存储时，每取样点需要 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提高至20 GHz,开发出两路10 GHz通道频率叠加构成20 GHz带宽的专利电路，代替业界常用的两路 20GS/s取样率叠加构成40GS/s取样率的电路。无论频率叠加或取样率叠 加，都会遇到硬件在交叠过程中产生频率响应误差或取样时钟误差，需 要包括滤波、多重累加等许多信号处理算法，以修正硬件导致的误差。 力科公司能够巧用DSP波波器，推进数字示波器的DSP带宽达到20 GHz 的经验，值得在开发数字测量系统时作为参考。泰克公司长期领导数字示波潜的发展，在运用DSP
16、技术方面同样成绩突 出，它的高档数字滤波器TDS6000系列采用任意FIR滤波器来补偿通常 和禁带的频响特性。它的任意FIR滤波器的滤波系数是根据校准数据计 算出来的，因而能够对每台示波港的各个通道的电压量程作准确补偿， 保证某一型号的数字示波器具有规范化的频响特性。用户可使用不同型 号的数字示波器获得同样的测量结果，保证测量重复性和一致性。另 外，在扩展DSP带宽的同时，保持扩展带所带来的噪声在适度范围内， 泰克公司认为它的模拟前端电路具有较低的背境噪声，能够比竞争对手 的高档数字示波器提供更高的DSP带宽，例如TDS6154C的模拟带宽是12 GHz, DSP带宽扩展到15 GHz,相应上
17、升时间从35Ps提高到28ps。而且 TDS6000系列都提供250MHz和20MHz两种频率限制DSP的滤波器。在波形重建和降低数字信号的瞬变失真方面，TDS6000系列的DSP滤波器 应用亦有特点。TDS6124C和TDS6154C的最高实时取样率是 40GS/s（25ps/点），借助sinx/x函数的内插滤波器使时间分辨率增加到 2000GS/s（0.5ps/点），等效于取样率扩大250倍。还有,如果DSP滤波 器在通带和禁带的滤波响应不准确，则在数字信号的瞬态过程出现预冲 和过冲，并伴随有衰减振荡，这种现象称为吉布斯（Gibbs）效应。TDS6154c除了扩展DSP带宽至15 GHz,
18、还要补偿相位的线性度，达到线 性相移12. 1度/ GHz,相当群延时33.5ps。此时，吉布斯效应减至最 小，瞬态过程的波形失真被限制在5%以内。众所周知，第一代数字信号处理器的贡献是促进有线电话系统数字化， 开创宽带数字网络，以及催生移动电话。第二代数字信号处理器推动消 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。数字信号处理潜在数字化测量仪器中的应用亦随着增加，DSP滤波器 取得的成果令人注目，今后必将出现更多的DSP在测量仪器中的应用成 果。热门词条2sc5342smax3483esaSP1350199Bfqb27p06A3213EUA- Tsd316u256hrtc64613a2SA1145mP930fmcl5/5