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Boxcar· 平均功能

模擬 Boxcar 平均（有時稱為門控積分）是一種技術，工程師和科學家使用了 50 多年來減少信號上不需要的噪聲。最近，隨著快速高分辨率數字化儀技術的發展，數字 Boxcar 平均已被用于獲得相同類型的產品中。此外，數字 Boxcar 平均帶來了額外的好處，它可以提高數字化儀的整體分辨率及其動態性能。本文展示了如何使用數字 Boxcar 平均來降低信號噪聲，包括在單次采集中的應用。它還解釋了該函數如何提高數字化儀的分辨率和動態特性，例如有效位數 (ENOB)、信噪比 (SNR) 和無雜散動態范圍 (SFDR)。

數字 Boxcar 平均適用于數字化儀以遠高于待分析信號的最大頻率的速率對波形進行采樣的情況，該過程通常稱為“過采樣”。當對信號或波形進行過采樣時，可以使用 Boxcar 平均功能來利用過采樣數據點中可用的信息。該方法采用數學過程有效地對選定數量的相鄰點（Boxcar 中的點或 Boxcar 平均因子）求和，然后計算平均垂直值（求和結果除以 Boxcar 中的點數），再使用平均值替換原始 Boxcar 數據中的所有點， 產生的操作類似于對原始數字化數據應用平滑函數，但與平滑不同的是，最終結果是數據點減少的波形。

圖 1. Spectrum M4i.4451-x8 PCIe 數字化儀卡具有四個通道，每個通道具有 500 MS/s 采樣率和 14 位分辨率。

為了讓用戶能夠利用 Boxcar 平均功能，虹科Spectrum創建了一個新的固件包，可以使用其高分辨率 44xx 系列、14 位和 16 位、PCIe、PXIe 和 LXI 數字轉換器的板載 FPGA 技術執行例程。圖 1 顯示了用于所有測試的 PCIe 數字化儀 M4i.4451-x8 示例。Boxcar Average 封裝增強了這些產品的高性能，并產生了垂直分辨率更高、靈敏度更高和動態性能更高的結果。Boxcar Averaging 固件作為標準包含在所有新的 44xx 系列數字化儀中，也可以改裝到已在現場使用的現有單元。

圖 2. FPGA 固件用于執行 Boxcar 平均，其中原始數據中的相鄰點 (Boxcar) 在處理后的數據存儲在數字化儀的板載內存中或直接傳輸到 PC 之前進行求和和平均。

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圖 3. 帶噪聲的正弦波（頂部跡線）使用 Boxcar 平均固件（中間和下方跡線）進行處理，降低了噪聲并顯著提高了整體 SNR。

02.BOXCAR 平均· 如何工作

如上所述，Boxcar Averaging 過程類似于平滑操作。在其最簡單的應用中，該函數可用于通過充當低通濾波器并從信號中去除高頻噪聲分量來減少不需要的噪聲。

例如，考慮圖 3 中所示的波形。頂部跡線（藍色）顯示相對較慢的正弦波，噪聲水平很高。使用虹科 M4i.4451-x8 數字轉換器（圖 1）采集波形并對其進行過采樣，分辨率為 14 位，單次采樣率為 500 MS/s。藍色跡線顯示原始數據。中間軌跡（橙色）和下方軌跡（紅色）顯示分別使用 8 個和 64 個相鄰點將 Boxcar 平均函數應用于原始數據的效果。兩條平均跡線都顯示出明顯較低的噪聲水平。

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改進的分辨率和動態性能

為了實現最大的靈活性，虹科 Boxcar 平均功能允許用戶在 2 到 256 之間選擇要平均的相鄰點數。平均數據隨后以與所選點數成比例的數量以更高分辨率存儲。例如，選擇兩個相鄰點會將 16 位數字轉換器的分辨率提高到相當于 17 位，選擇四個相鄰點相當于 18 位，而選擇最多 256 個點將產生理論上的 24 位！實際上，真實信號從未真正實現過如此高性能。但是，我們可以進行實質性的測量改進。

圖 4. 將因子為 8、64 和 256 的 Boxcar 平均應用于噪聲開路輸入信號（紅色跡線）以顯示對 RMS 噪聲水平的影響。

圖 4 顯示了 Boxcar 平均在降低信號的絕對本底噪聲方面的效果。此處下方跡線（紅色）再次由虹科 M4i.4451-x8 數字化儀進行采集，該數字化儀以 500 MS/s 的采樣率和 14 位分辨率進行采樣。跡線顯示了當沒有信號連接到數字化儀（實際上它有一個開路輸入）時觀察到的高本底噪聲。使用虹科 SBench6 分析軟件測量 RMS 噪聲電平，并在“信息框”（左下窗口）中顯示為 91.34 μV。應用因子為 8（黃色跡線）、64（藍色跡線）和 256（綠色跡線）的 Boxcar 平均函數會導致 RMS 噪聲大幅降低。SBench6 顯示降低分別為 33.72、12.47 和 8.45 μV。

Boxcar 平均不僅可以降低高噪聲水平對信號的影響，而且重要的是，它還可以改善低噪聲水平情況下的結果。 例如，當使用高純度信號時，測試表明 Boxcar Averaging 可以將數字化儀的性能（通過其 ENOB 測量）至少提高 2 位。其他動態參數，例如 SFDR 和 SNR 測量，也可以提高 12 dB 以上。表 1 顯示了在采集高純度 1 MHz 正弦波時測量虹科 M4i.4451-x8 數字化儀的動態性能參數時獲得的典型結果。

表 1. 使用虹科 M4i.4450-x8 數字化儀進行的動態參數測量，使用標準采集模式和 Boxcar 平均，并使用高純度 1 MHz 正弦波進行測試。

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亮點

Boxcar 平均的缺點是生成的波形被有效過濾，因此高頻信號內容可能會丟失。Boxcar 平均因子會降低有效采樣率。系數越高，采樣率越低，由此產生的奈奎斯特頻率限制就越低。然而，即使這樣有時也是一種優勢。由于 Boxcar 平均波形被平均因子抽取，因此存儲的波形也是如此。 結果是波形只需要更少的板載內存，隨后可以傳輸到 PC 并更快地處理。此外，即使產生的波形被抽取，虹科的實施也確保觸發檢測仍然以原始采集的全采樣速度運行，因此平均信號和觸發位置之間始終存在非常精確的定時關系。

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簡單的· 軟件集成

雖然 Boxcar 平均模式是使用 FPGA 固件實現的，但它可以使用虹科Spectrum標準驅動程序套件 (SDK) 進行完全編程。SDK 允許使用幾乎任何流行的語言進行編程，包括 C++、Visual Basic、VB.NET、C#、J#、Delphi、Java 和 Python。第三方軟件支持和示例也免費提供，適用于 LabVIEW、LabWindows 和 MATLAB。對于那些不想自己編寫程序的用戶，虹科Spectrum提供了 SBench 6-Pro，這是一個易于使用的圖形用戶界面。SBench 6 提供對所有數字化儀操作模式和設置的控制。它顯示、存儲和處理波形，甚至可以用來記錄結果。

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結論

在目標信號頻率遠低于數字化儀采樣率的情況下，Boxcar 平均技術具有許多優勢。 與傳統的平均方法不同，Boxcar 平均適用于單次采集。您不需要多個觸發事件或可重復的信號。 此外，當信號被過采樣時，Boxcar 平均允許以更高的分辨率進行幅度測量，并改善數字化儀的整體 ENOB、SNR 和 SFDR。Boxcar 平均波形也被平均因子抽取。因此，存儲的波形尺寸減小，可以更快地傳輸和處理。

虹科測試測量事業部

虹科是在各細分專業技術領域內的資源整合及技術服務落地供應商。在測試測量行業經驗超過17年的高科技公司，虹科與世界知名的測量行業巨頭公司Marvin Test、Pickering Interface, Spectrum, Raditeq等公司合作多年，提供領域內頂尖水平的基于PXI/PXIe/PCI/LXI平臺的多種功能模塊，以及自動化測試軟件平臺和測試系統，通用臺式信號源設備，高速數字化儀等。事業部目前已經提供覆蓋半導體、3C、汽車行業的超過25個大型和超大型自研系統項目。我們的解決方案已在汽車電子、半導體、通信、航空航天、軍工等多個行業得到驗證。此外，我們積極參與半導體、汽車測試等行業協會的工作，為推廣先進技術的普及做出了重要貢獻。至今，虹科已經先后為全國用戶提供了100+不同的解決方案和項目，并且獲得了行業內用戶極好口碑。