示波器的抽取（Decimation）模式

示波器作為電子設(shè)計(jì)、測(cè)試及調(diào)試過(guò)程中必不可少的測(cè)試工具，可以幫助工程師更準(zhǔn)，更快，更方便地定位和解決問(wèn)題，被譽(yù)為“工程師的眼睛”。 執(zhí)著追求更加真實(shí)的反映電路中實(shí)際信號(hào)波形。

隨著待測(cè)信號(hào)速率越來(lái)越快，測(cè)試精度越來(lái)越高，數(shù)字示波器相對(duì)于模擬示波器的優(yōu)勢(shì)愈加明顯。采樣率無(wú)疑成為一個(gè)關(guān)注的焦點(diǎn)，因?yàn)檫@關(guān)系到能否真實(shí)還原信號(hào)波形。在實(shí)際測(cè)試中，我們必須時(shí)刻關(guān)注采樣率，保證過(guò)采樣，避免出現(xiàn)由于欠采樣引起波形失真甚至不能還原真實(shí)信號(hào)波形。

對(duì)于一個(gè)示波器來(lái)說(shuō)（以R&S公司示波器RTO1024說(shuō)明），核心器件是采樣率為10G/S的單核ADC。在實(shí)際使用示波器時(shí)，我們會(huì)受到示波器第一關(guān)系式的限制，見(jiàn)式1：

采樣率×采樣時(shí)間=采樣率×時(shí)基×10=存儲(chǔ)深度 ----------------------------（式1）

對(duì)于每臺(tái)示波器，它的存儲(chǔ)深度是一定的，那么我們?cè)谑褂檬静ㄆ鬟^(guò)程中，隨著所要測(cè)試的信號(hào)的時(shí)基不同，對(duì)應(yīng)的采樣率也不一樣，這時(shí)就特別要關(guān)注避免欠采樣。在示波器數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，顯示出波形的采樣率的變化通過(guò)插值和抽取的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這里有個(gè)關(guān)系式可以判斷插值和抽取的適用情況，見(jiàn)下表1所示。下面分別就插值和抽取做簡(jiǎn)單的探討。

表1 不同采樣率對(duì)比

2 基本原理

降低波形采樣率以去掉過(guò)多數(shù)據(jù)的過(guò)程稱(chēng)為信號(hào)的“抽取”。提高波形采樣率以增加數(shù)據(jù)的過(guò)程稱(chēng)為信號(hào)的“插值”。本篇著重討論數(shù)據(jù)抽取對(duì)測(cè)試波形和采樣率的影響。

2.1 信號(hào)的抽取

設(shè)X（n）=x（t）|t=nTs，欲使采樣率Fs降低M倍，將x(n)中每M個(gè)點(diǎn)中抽取一個(gè)，依次組成一個(gè)新的序列y(n)，即

則可推算出抽取后信號(hào)采樣周期T=MTs。

抽取框圖見(jiàn)圖1所示：

圖1 信號(hào)抽取示意圖（M=3），（a）為原始信號(hào)，（c）為抽取后信號(hào)

通過(guò)對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)抽取后，采樣率降低，F(xiàn)=Fs/M。為了保證能夠還原出信號(hào)波形，必須要求抽取后的采樣率大于兩倍信號(hào)最高頻率f，即必須要保證過(guò)采樣，見(jiàn)式2。

F=Fs/M >2f --------------------------------------------------------（式2）

2.2 信號(hào)的插值

在示波器的ADC采樣率不足以清楚的捕獲到信號(hào)細(xì)節(jié)，這時(shí)需要更高的采樣率真實(shí)還原采集信號(hào)細(xì)節(jié)部分。插值這個(gè)方式的應(yīng)用可以完美解決這一點(diǎn)，在ADC實(shí)際采樣點(diǎn)之間插入特定算法計(jì)算的虛擬采樣點(diǎn)，以此等效提高信號(hào)采樣率。在R&S示波器中，你可以通過(guò)三種方式實(shí)現(xiàn)采樣率的提升，分別是線性插值（line），正弦插值（sinx/x），采樣保持插值(sample)，后續(xù)再做詳細(xì)介紹。

3 示波器采樣率

針對(duì)R&S示波器RTO1024，其ADC的固定硬件采樣率為10G/S，通過(guò)不同的抽取方式降低采樣點(diǎn)數(shù)量，分別為SAMPLE，PEAK DETECT，HI-RES，RMS方式。而且可以實(shí)現(xiàn)同一通道同一波形以三種不同的抽取方式同時(shí)顯示。在實(shí)際使用過(guò)程中，我們根據(jù)實(shí)際情況選擇不同的抽取方式進(jìn)行測(cè)試。

根據(jù)示波器第一關(guān)系式，示波器能夠自動(dòng)識(shí)別當(dāng)前所處的的采樣模式，判斷標(biāo)準(zhǔn)是跟ADC的是固定采樣率10G/S做比較。如果當(dāng)前實(shí)時(shí)采樣率低于或等于10G/S時(shí),則自動(dòng)工作在實(shí)時(shí)模式，如果當(dāng)前實(shí)時(shí)采樣率高于10G/S,則可以自動(dòng)打開(kāi)分辨率加強(qiáng)功能：插值。如果使用抽取模式，在采樣率低于10G/S時(shí)，四種抽取模式可以供選擇：SAMPLE，PEAK DETECT，HI-RES，RMS。

因此，可以看出，我們對(duì)示波器的靈活設(shè)置，可以提高或者降低示波器實(shí)際采樣率，滿足我們實(shí)際測(cè)試需求。下面我們就RTO1024示波器的四種抽取方式，來(lái)分別說(shuō)明抽取對(duì)測(cè)試的影響。

4 抽取方式

抽取模式減少?gòu)腁DC采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)，以此達(dá)到降低采樣率。在抽取模式下，分辨率加強(qiáng)功能自動(dòng)關(guān)閉。RTO示波器總共可以支持四種抽取方式，對(duì)ADC采集的數(shù)據(jù)做相應(yīng)的抽取處理，其它數(shù)據(jù)全部丟棄，這樣來(lái)實(shí)現(xiàn)降低采樣率。下面分別從這四種抽取方式進(jìn)行說(shuō)明，以示波器上校準(zhǔn)信號(hào)（1KHz方波）作為測(cè)試源。

4.1 Sample

所謂“sample”，就是采樣保持，跟ADC數(shù)據(jù)離化過(guò)程是一樣。這是通用的默認(rèn)抽取方式，在ADC采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)里面，以N個(gè)點(diǎn)為一組，從這N個(gè)點(diǎn)里取出第一個(gè)點(diǎn)，作為新的波形數(shù)據(jù)里面的采樣點(diǎn)，N個(gè)點(diǎn)里的其他采樣點(diǎn)全部丟棄。通過(guò)抽取出來(lái)的這些點(diǎn)擬合成一個(gè)波形，如下圖3所示。采用sample抽取方式測(cè)試波形如下圖4所示，這和一個(gè)低采樣率的ADC采集的波形數(shù)據(jù)是一樣的。