本文是一篇博士論文范文，本文開展了自適應可重構數字示波器關鍵技術研究，提出了自適應可重構采樣數學模型及其硬件實現架構，在垂直方向上，研究了自適應可重構系統的誤差校準算法和高精度采樣算法，在水平方向上，提出了可重構采集系統中自適應信號特征的捕獲方法，可根據信號的特征自動設置不同的觸發條件進行信號的有效捕獲。

第一章 緒論

1.1 研究背景及意義

在當代科學研究和重大工程應用中，諸如超高速MIMO通信[1]、核物理實驗[2]、爆轟模擬[3]、戰場環境下的雷達與電子對抗[4]等復雜信號處理問題普遍存在。如在太赫茲通信中，隨著通信速率的增加，信道必須提供超過30 GHz的帶寬以及超過30 dB的動態范圍[5]；在核物理實驗中，需要采集的信號具有極短的持續時間（納秒級）、極快的上升時間（皮秒級）及較大的動態范圍（超過40 dB），上述超寬帶信號測試幾乎只能依賴于數字示波器的超高速實時捕獲與分析技術[6]。因此，數字示波器已成為當前電子測試儀器中發展最為迅速，且代表國家整體科學儀器水平的重要標志之一。因此，研究數字示波器中的超高速實時捕獲與分析技術具有重要意義。

數字示波器作為“測試設備的設備”，已在各領域電子設備（產品）的研發、生產、維保等全生命周期廣泛使用，其捕獲和分析信號的能力直接影響到被測設備的性能評估[7]。因此，突破寬帶信號高速高精度采集關鍵技術，研發寬帶高性能數字示波器已是時域采集領域的重點研究方向[8]。然而，數字示波器的采樣率與帶寬、分辨率與精度、以及海量數據與瞬態偶發存在著天然矛盾，難以同時兼顧。為此，目前針對寬帶數字示波器關鍵技術的研究也集中解決上述三方面的問題，具體來講，主要包括解決垂直方向的高帶寬、高采樣率、高分辨率、高有效位數（effective-number-of-bits，ENOB），和水平方向的特征信號實時識別，也就是示波器的觸發功能[9]。

帶寬、采樣率、分辨率是數字示波器最為重要的核心指標之一，目前能獲取到的商用ADC芯片無法滿足線性調頻雷達[10]、脈沖雷達[11]、航天遙測[12]、遠距離載波通信等領域中高帶寬信號的急迫測試需求，突破單模擬數字轉換器（Analog-to-Digital Converter，ADC）和已有商用器件的性能，時間交替ADC（Time Interleaved ADC，TIADC）[13]、數字帶寬交替（Digital Bandwidth Interleaving，DBI）[14]、時間同步ADC（Time Synchronized ADC，TSADC）等并行數據采集技術被廣泛應用到數字示波器中。TIADC的基本原理是將輸入信號的采樣時間間隔進行分割，使用不同的ADC模塊按照設定的相位差異輪流對信號進行采樣。

1.2 國內外研究現狀

在真實的物理環境中，電磁信號一直是信息傳達的主要載體。且隨著無線通信、數字信號處理、微電子與集成電路等技術的飛速發展，當前攜帶有用信息的模擬電信號的帶寬越來越高[24]。信號采樣技術是模擬信息到數字信息的唯一有效途徑，為了準確的獲取有用信息，突破采樣率與分辨力的矛盾，國內外諸多學者分別從不同的技術路線對寬帶信號采集技術進行了深入研究者。在目前器件限制條件下，并行采集技術幾乎是實現超寬帶高速采集的唯一方法。但是目前的采集系統主要通過單一技術提高系統性能，例如通過時間交替采樣技術提高系統采樣率、子帶分解技術提高系統帶寬、時間同步采樣技術提高系統分辨率。同時，目前的并行采樣架構的采集系統存在的寬帶系統指標體系固定，無法兼顧不同測試場景下的帶寬和精度的問題；其次，該混合架構的誤差構成相對單一并行架構更為復雜；最后，對信號進行盲測試時，不能根據被測信號特征對測試資源進行自適應匹配。所以，目前的采集系統面臨著應用層面的困境。

在現有的研究中，還沒有帶寬/采樣率/分辨率自適應調節的采樣架構的相關研究。傳統超寬帶高速并行采集系統均勻分配硬件資源，不能根據測試需求進行硬件資源均勻分配，不同指標間無法根據實際的應用場合進行動態配置，從而導致資源浪費、引入不必要帶外噪聲、造成測試性能的下降、窄帶信號測試時分辨率低等問題的問題。目前相關研究還是主要集中在高分辨率采集、時域交替高速采集、時域高精度采集、頻域寬帶采集，以及特征信號識別等四個方面，本節也將從這四個方 面對國內外研究現狀進行梳理和分析。

第二章 可重構數字示波器系統分析

2.1 傳統寬帶高速采集系統性能分析

受器件工藝水平的限制，單一模數轉換器難以同時實現高采樣率和高分辨率。并行采集技術幾乎是實現超寬帶高速采集的唯一方法。時間交替采樣技術是提升采樣率的有效途徑，但其無法增加系統的量化分辨率；而單一的時間同步采樣技術雖然能夠增加系統的量化分辨率，但采樣率及帶寬無法得到有效提升；數字帶寬交替（DBI）方法則可同時提高帶寬和采樣率，該方法突破了ADC和運算放大器對采樣率和帶寬的限制。但存在當子帶個數過多時，子帶分解濾波器和數字綜合濾波器的設計難度會急劇增長的缺點。

傳統的數字化器件、系統或儀器通常以上述單一的高速或高精度采樣技術作為系統構架進行設計，在瞬時帶寬、采樣率與分辨率的各自單項指標上都能達到非常高的性能，但無法同時兼具高帶寬、高采樣率與高分辨率的指標；并且在對信號進行采集處理時，寬帶采集系統始終以最高采樣率、最大帶寬、固定的處理方法進行采樣處理。在全帶寬內平均分配測試資源，即對全帶寬范圍的信號進行采集和處理。隨著采集系統的帶寬越來越高，即引入的噪聲也越來越多，使采集系統的信噪比、無雜散動態范圍等指標降低。然而實際應用場景中，現在信號多為具有頻域稀疏性的窄帶信號，傳統系統在對這些窄帶信號采樣時會引入更多的噪聲和雜散，降低系統測試精度，系統采樣性能下降的缺陷。

2.2 可重構采樣模型結構分析

經過模擬域的信號，將通過信號選擇陣列輸入至模數轉換域進行信號采樣，在模數轉換域中可通過調節調整可變采樣時鐘,0,1,2m?m=相位，進行TS/TI的采集重構，當在需要進行高分辨率分析的場合時，信號選擇陣列從4個模擬通道的輸出中選擇1路信號送至4個ADC或8個ADC，并根據信號的稀疏特性設定可變濾波器組，選擇最合適的帶寬。在高分辨率模式中，可變采樣時鐘設置為相同相位，并使ADC陣列構成時間同步采樣（TS）模式。同時將ADC的采樣結果進行疊加，則根據同步采樣理論可實現14 bit或15 bit的垂直分辨率。之后再結合后端分辨率提升數字信號處理算法，可進一步提升有效位數。在該模式下，可變本振的控制可根據信號頻段進行自動調節控制。

第三章 自適應高精度采樣方法研究 .......................... 48

3.1 混合交織采樣誤差校正方法 ......................... 48

3.1.1 基于 Volterra 級數的動態非線性誤差估計和校正方法...... 48

3.1.2 數字交替采集的交疊帶誤差估計與校正方法 ...................... 53

第四章 可重構采集系統中的智能信號檢測方法研究 ........................ 76

4.1 智能觸發方法 .................................. 76

4.1.1 多功能觸發方法設計 .................................. 76

4.1.2 基于信號特征的觸發智能匹配 ...................... 80

第五章 自適應可重構數字示波器系統設計與關鍵技術驗證 ............ 96

5.1 自適應可重構數字示波器總體設計 ............................................ 96

5.1.1 設計目標 .................................. 96

5.1.2 總體架構設計 .................................. 97

第五章 自適應可重構數字示波器系統設計與關鍵技術驗證

5.1 自適應可重構數字示波器總體設計

在現代的科學研究和關鍵工程項目中，對超寬帶復雜信號的測量需求不斷增大。為了對這些信號進行高速高精度測量，通常需要高速實時捕獲和分析，其典型代表是高采樣率、高帶寬且具備復雜信號精準捕獲與分析的數字智能示波器。本文設計并實現了最高采樣率80GSPS，最大帶寬20GHz，最高分辨率15bits的自適應可重構數字示波器，并驗證了第三章自適應高精度采樣方法和第四章智能信號檢測方法在實際系統中的有效性。

5.1.1 設計目標

本設計來源于筆者參與主研的某型號自適應可重構數字示波器項目，通過對輸入信號信息的智能提取，自適應調配采集資源，實現對最大20 GHz頻率范圍內的信號的精確測量。

本設計的主要指標為： 采樣率：最大80 GSPS 垂直分辨率：最高15 bits 有效帶寬：20 GHz 本設計的主要功能包括： 具有可重構功能：能夠動態調整測試資源與自適應跟蹤測試信號功能。 具有智能觸發功能：能夠根據輸入信號特征，自動選擇觸發類型，實現波形穩定觸發。 具有異常檢測功能：能夠自動檢測正常信號中的異常行為，異常信號的捕獲概率≥90%。

第六章 總結與展望

6.1 全文工作總結

在現代的科學研究和關鍵工程項目中，研究者經常遇到需要處理復雜信號的挑戰，例如超高速MIMO通信、核物理實驗、爆轟模擬以及戰場環境中的雷達和電子對抗等。這些超寬帶信號的測試通常依賴于高速實時捕獲和分析技術。為了滿足目前對上述測試領域中信號的高速高精度測量，突破寬帶信號高速高精度采集關鍵技術，研發寬帶高性能數字示波器已是時域采集領域的重點研究方向。在信號采集方面，時間交替采集技術解決了單一ADC采樣速率受限的問題，但對模擬帶寬提升有限，且僅能測試帶寬內的信號。隨后，帶寬交替技術被引入，以同時解決數字示波器的高采樣率和高帶寬，但仍然面臨分辨率（或ENOB）不足的難題。時間同步技術通過設置多個ADC在時間上同步對同一信號進行量化。該技術提高了ENOB，但不能提升帶寬。這些技術均不能根據測試對象對數字示波器的帶寬、采樣率、分辨率進行動態重構，因此未能充分發揮數字示波器的硬件性能，存在硬件資源浪費、測試效率或精度低的問題。在信號處理方面，傳統的處理算法未能高效提取信號的瞬態特征，而基于人工神經網絡、機器學習的智能算法未考慮算法的計算復雜度、海量數據的實時處理、以及在FPGA中實現的難度。

（1）本文針對傳統采集系統在垂直和水平方向上的測試局限性，提出了一種新的高速并行采樣架構。這種架構能夠動態調整采樣率、分辨率和帶寬，以實現自適應采樣。文章深入探討了可重構采集系統在不同重構模式下的工作機制和相應的數學模型。此外，還分析了不同自適應采樣模型的誤差來源及其對系統性能的影響，為后續的研究提供了堅實的理論基礎。同時，論文還聚焦于異常信號檢測技術，特別是對偶發信號的捕獲需求，探索了有效捕獲異常信號的方法。

（2）聚焦于可重構采樣模型中的精度提升問題進行了研究。首先進行了誤差校正問題的研究。利用Volterra級數理論，構建了描述系統動態非線性誤差的模型，開發了一種基于系統整體的非線性誤差校正技術。接著，分別采用基于并行丟點的DBI系統交疊帶誤差校正以及基于打能量準則的頻響誤差校正方法分別對DBI寬帶系統的交疊帶以及幅相誤差校正。此外，本文還提出了自適應可重構采集算法。針對窄帶信號測試的場合，通過將寬帶采集系統重構為窄帶高精度采集系統，不僅減少了寬帶系統誤差，還有效降低了隨機噪聲的影響。通過實驗驗證，在80 GSPS采樣模式下系統分辨率達到了12位，ENOB達到了4.51位；在20 GSPS采樣模式下系統分辨率達到了14位，ENOB達到了6.73位；在10 GSPS采樣模式下系統分辨率達到了15位，ENOB達到了7.90位。

參考文獻（略）