示波器的抽取（Decimation）模式

作者：李星

Oscilloscope.China@rohde-schwarz.com

“ScopeArt先生”团队成员

1 背景

示波器作为电子设计、测试及调试过程中必不可少的测试工具，可以帮助工程师更准，更快，更方便地定位和解决问题，被誉为“工程师的眼睛”。执着追求更加真实的反映电路中实际信号波形。

随着待测信号速率越来越快，测试精度越来越高，数字示波器相对于模拟示波器的优势愈加明显。采样率无疑成为一个关注的焦点，因为这关系到能否真实还原信号波形。在实际测试中，我们必须时刻关注采样率，保证过采样，避免出现由于欠采样引起波形失真甚至不能还原真实信号波形。

对于一个示波器来说（以R&S公司示波器RTO1024说明），核心器件是采样率为10G/S的单核ADC。在实际使用示波器时，我们会受到示波器**关系式的限制，见式1：

采样率×采样时间=采样率×时基×10=存储深度 -------------（式1）

对于每台示波器，它的存储深度是一定的，那么我们在使用示波器过程中，随着所要测试的信号的时基不同，对应的采样率也不一样，这时就特别要关注避免欠采样。在示波器数据处理过程中，显示出波形的采样率的变化通过插值和抽取的方式来实现的。这里有个关系式可以判断插值和抽取的适用情况，见下表1所示。下面分别就插值和抽取做简单的探讨。

表1 不同采样率对比

2 基本原理

降低波形采样率以去掉过多数据的过程称为信号的“抽取”。提高波形采样率以增加数据的过程称为信号的“插值”。本篇着重讨论数据抽取对测试波形和采样率的影响。

2.1 信号的抽取

设X（n）=x（t）|t=nTs，欲使采样率Fs降低M倍，将x(n)中每M个点中抽取一个，依次组成一个新的序列y(n)，即

则可推算出抽取后信号采样周期T=MTs。

抽取框图见图1所示：

图1 信号抽取示意图（M=3），（a）为原始信号，（c）为抽取后信号

通过对信号数据抽取后，采样率降低，F=Fs/M。为了保证能够还原出信号波形，必须要求抽取后的采样率大于两倍信号*高频率f，即必须要保证过采样，见式2。

F=Fs/M >2f -------------（式2）

2.2 信号的插值

在示波器的ADC采样率不足以清楚的捕获到信号细节，这时需要更高的采样率真实还原采集信号细节部分。插值这个方式的应用可以**解决这一点，在ADC实际采样点之间插入特定算法计算的虚拟采样点，以此等效提高信号采样率。在R&S示波器中，你可以通过三种方式实现采样率的提升，分别是线性插值（line），正弦插值（sinx/x），采样保持插值(sample)，后续再做详细介绍。

3 示波器采样率

针对R&S示波器RTO1024，其ADC的固定硬件采样率为10G/S，通过不同的抽取方式降低采样点数量，分别为SAMPLE，PEAK DETECT，HI-RES，RMS方式。而且可以实现同一通道同一波形以三种不同的抽取方式同时显示。在实际使用过程中，我们根据实际情况选择不同的抽取方式进行测试。

根据示波器**关系式，示波器能够自动识别当前所处的的采样模式，判断标准是跟ADC的是固定采样率10G/S做比较。如果当前实时采样率低于或等于10G/S时,则自动工作在实时模式，如果当前实时采样率高于10G/S,则可以自动打开分辨率加强功能：插值。如果使用抽取模式，在采样率低于10G/S时，四种抽取模式可以供选择：SAMPLE，PEAK DETECT，HI-RES，RMS。

因此，可以看出，我们对示波器的灵活设置，可以提高或者降低示波器实际采样率，满足我们实际测试需求。下面我们就RTO1024示波器的四种抽取方式，来分别说明抽取对测试的影响。

4 抽取方式

抽取模式减少从ADC采集的数据点，以此达到降低采样率。在抽取模式下，分辨率加强功能自动关闭。RTO示波器总共可以支持四种抽取方式，对ADC采集的数据做相应的抽取处理，其它数据全部丢弃，这样来实现降低采样率。下面分别从这四种抽取方式进行说明，以示波器上校准信号（1KHz方波）作为测试源。

4.1 Sample

所谓“sample”，就是采样保持，跟ADC数据离化过程是一样。这是通用的默认抽取方式，在ADC采集的数据点里面，以N个点为一组，从这N个点里取出**个点，作为新的波形数据里面的采样点，N个点里的其他采样点全部丢弃。通过抽取出来的这些点拟合成一个波形，如下图3所示。采用sample抽取方式测试波形如下图4所示，这和一个低采样率的ADC采集的波形数据是一样的。

图3 Sample 抽取示意图
图4 Sample抽取方式下1KHz方波信号

4.2 Peak Detect

所谓“peak detect”，就是峰值检测，类似于包络显示。在ADC采集的数据点里面，以N个点为一组，如图3示意图，从这N个点里取出*大值和*小值这两个点作为作为新的波形数据里面的采样点，N个点里的其它采样点全部丢弃。通过抽取出来的这些点拟合成一个波形。采用peak detect抽取方式测试波形，如下图5所示，整个数据采样点的*大值和*小值拟合成两条曲线构成包络。

图5 Peak Detect抽取方式下1KHz方波信号

4.3 Hi Resolution

所谓“Hi-Resolution”，是指在ADC采集的数据点里面，以N个点为一组，对这N个点取平均值，以这个平均值作为新采样波形的采样点，如图6示意图所示，这样可以减小因原始波形上叠加的噪声干扰引起的误差，在垂直方向上有更高的精度分辨率。采用Hi-Resolution抽取方式测试的波形，如下图7所示。

图6 Hi-Resolution 抽取示意图

图7 Hi-Resolution抽取方式下1KHz方波信号

4.4 RMS
所谓“RMS”，是指在ADC采集的数据点里面，以N个点为一组，如图6示意图所示，对这N个点取RMS（均方根值），以这个均方根值作为新采样波形的采样点。它反映了测试信号波形的瞬时功率。采用RMS抽取方式测试的波形，如下图8所示。
图8 RMS抽取方式下1KHz方波信号

针对这四种抽取方式的差异，如下图9和图10分别测试了不同抽取模式下测试1KHz方波的波形。从图9，图10的三种不同抽取方式测试波形对比可以看出，Peak Detect抽取测试波形的*大*小值包络，便于分析测试波形的过冲范围等。Sample抽取相对于RMS和Hi-Resolution抽取模式，测试波形上明显存在很多噪声，垂直分辨率也没有RMS和Hi-Resolution抽取模式高。