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等效采样系统的设计

1实时采样和等效采样

在现代电子测量、通讯系统、雷达、电子对抗等领域，经常涉及对宽带模拟信号进行数据采集和

存储，以便计算机进一步进行数据处理。为了对高速模拟信号进行不失真采集，根据奈奎斯特采样定

理，采样频率必须为信号频率的2倍以上，即必须采用高速采样技术才能实现，这就对器件速度、电

路结构和系统调试提出了很高的要求，从而增加了系统实现难度。但实际采集的一类宽带模拟信号往

往是周期性信号，这样就可以利用信号的周期性，采用等效时间采样原理用较低速的ADC实现高速的

数据采集。从而减小了系统实现难度，简化了周期性宽带模拟信号的高速数据采集问题。（有文献出

现了对超宽带非周期信号等效采样的研究，实际上为周期信号外加延时所成的信号，即可称为准周期

信号的信号）

数据采集系统按采集方式分为实时采样和等效采样。实时采样是在触发信号到来后一次完成整个

数据采集过程,他是等时间间隔采样,他的最高采样频率必须满足奈奎斯特采样定理的要求,因而

实时采样系统的采样信号带宽受到一定的限制。等效采样是通过多次触发、多次采样来获取并重建信

号波形,他的前提是被采样信号是周期信号。等效采样通过对周期信号的多次采样,把在信号的不同

周期中采样得到的数据进行重组,从而重构原始的信号波形。理论上讲，它可以不遵循奈奎斯特采样

定理并能够以扩展的方式复现频率远远超过奈奎斯特采样定理要求的极限频率的信号波形,是现代

仪器拓展通频带的有效手段,等效采样又分为顺序等效采样和随机等效采样。两者的区别在于:随机

等效采样不仅局限于在触发点之后,还能在触发点之前进行采样。

2等效时间采样的基本原理

等效时间采样的基本原理是利用取样技术把高频的、快速的重复信号转换成低频的、慢速的信号。

取样技术变换信号的过程如图1所示。

其中，U为被测高频模拟信号，U为在采样脉冲的作用下各样品值形成的包络，U为由样品值形

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成的低频信号，且U的周期为U周期的整数倍。被测高频重复信号U1在取样脉冲出现的时刻被采样，

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为了使取得的样品能表征被测量信号U1瞬时幅度的变化情况，采样脉冲出现的时刻应每取样一次，就

较被测信号延迟一段时间△f，以便采样脉冲扫遍被测信号的波形。采样后的信号仍然是一串窄脉冲，

但是它的幅度却代表着采样时刻被测信号的幅值信息，因此，采样后的包络U2完全相似于被测信号U1

的波形，只是时间大大拉长了，速度大大减慢了。采样速度减慢的倍数可按下式计算：

q=T／△t

式中q采样速度减慢的倍数

T被测信号的周期

△t步进采样脉冲的宽度

如图所示，两个取样脉冲的时间间隔为：

T=mT+△t

S

式中，T为被测信号周期，△t为步进延迟时间，m为两个取样脉冲之间被测信号周期的个数。则

所得的取样信号的包络可重现原信号波形，因为波形包络所经理的时间变长了，故可以用来测高频信

号。

步进间隔△t决定了采样点在各个波形上的位置，并使本次采样点的位置较上次采样点的位置推

迟△t时间，由于被测信号是波形完全相同的重复信号，可以利用具有“步进延迟”的宽度极窄的取

样脉冲△t在被测信号的各周期的不同位置上逐次取样，即每取样一次，取样脉冲比前一次延迟△t，

那么取样点将按顺序取遍整个信号波形。

步进间隔△t与信号最高频率f满足取样定理：

h

△t≤1/2f

h

假设在实时取样条件，以△t为取样间隔，完成一个周期的采样需要n次，即T=n△t，在非实时取

样时，设每m个信号周期取样一次，经过n次取样之后完成对信号的一次取样循环，那么，一次取样循

环的时间t和信号周期T的关系为：

t=n（mT+△t）=（mn+1）T≈mnT

即非实时采样后得到的n个取样点形成的包络等效为原信号的一个周期，而这n个取样点来自于原

信号的（mn+1）个周期，因而，取样后比原信号的频率降低了（mn+1）倍。但是，需要指出的是，非

实时采样只能适用于周期信号，而对非周期信号，只能采样实时采样方式。

等效采样技术也能对这样的非周期信号进行采样