示波器中的DBI技術(shù)

摩爾定律指出晶體管的數(shù)量每18個(gè)月會(huì)翻一番。晶體管的速度也對(duì)應(yīng)地呈線性增長(zhǎng)，那意味著每隔三年晶體管的速度會(huì)翻一番。盡管示波器自推出以來在其漫長(zhǎng)的歷程中經(jīng)歷多次變化，但其仍然是主要的電子研發(fā)工具。受摩爾定律支配，示波器帶寬也得每隔三年翻一番，以便跟上發(fā)展步伐。

考察近年實(shí)時(shí)示波器(區(qū)別于等效采樣以及采樣示波器)帶寬的傳統(tǒng)增長(zhǎng),得益于采用高速設(shè)計(jì)的前端模擬放大器，ADC和存儲(chǔ)器。不幸的是對(duì)示波器制造商來說，這意味著要重新設(shè)計(jì)各種ASIC,成本也隨之呈指數(shù)級(jí)上升。但隨著高端儀器生命周期繼續(xù)縮短，這些成本將轉(zhuǎn)嫁到用戶身上。

歷史上，睿智的公司意識(shí)到這個(gè)受摩爾定律驅(qū)使的趨勢(shì)是一個(gè)嚴(yán)重的問題。示波器制造商只能按照冰冷的帶寬增長(zhǎng)曲線前行。但是縱觀歷史，許多公司偶然的突破性創(chuàng)新可以改變?cè)S多成名的定律。此類例子不勝枚舉。比如有名的硬盤和PRML的發(fā)明，使得磁盤密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了權(quán)威機(jī)構(gòu)的預(yù)測(cè)。

在高帶寬示波器設(shè)計(jì)領(lǐng)域，主流的創(chuàng)新方法是利用近20年來工業(yè)領(lǐng)域的Interleaving，Interleaving是整合通道資源，換句話說是整合通道數(shù)字化儀和存儲(chǔ)器，使得示波器擁有非常高的采樣率和存儲(chǔ)深度。這個(gè)創(chuàng)新降低了對(duì)單個(gè)數(shù)字化儀的速度要求，因?yàn)閱蝹€(gè)數(shù)字化儀有效采樣率遠(yuǎn)遠(yuǎn)比標(biāo)稱的要低。Interleaving取得了空前的成功，不需借助帶寬，交錯(cuò)的數(shù)字化儀由設(shè)計(jì)成和儀器帶寬保持一致的前端放大器驅(qū)動(dòng)。

力科發(fā)展了一種新型的Interleaving技術(shù)——數(shù)字帶寬交錯(cuò)或叫DBI，它能像傳統(tǒng)技術(shù)那樣提供類似的增加采樣率和存儲(chǔ)深度，而且同時(shí)可以增加帶寬。

而傳統(tǒng)的Interleaving需要一定的硬件支持傳輸信號(hào)和時(shí)鐘去多路徑，主要的問題是多路徑時(shí)序，增益/漂移。有許多方法可以實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)，相當(dāng)復(fù)雜的算法可以獲得最好的校正。然而實(shí)現(xiàn)Interleaving的軟件是必須的。


另一方面，數(shù)字帶寬交錯(cuò)解決了后端額外硬件，校準(zhǔn)和數(shù)字信號(hào)處理，用來恢復(fù)用戶輸入的信號(hào)。

簡(jiǎn)化的DBI硬件原理圖如下。首先，輸入信號(hào)被雙工器一分為二。雙工器是微波濾波器，用來將輸入信號(hào)分成多個(gè)頻段。在雙通道，帶寬加倍處理，低頻段從雙工器直接傳送到一個(gè)前端放大器。在雙工器端和低頻段路徑分離的部分被設(shè)計(jì)成通過一個(gè)和前端帶寬一致的全頻段濾波器。高頻段進(jìn)入一個(gè)下變頻器。這個(gè)下變頻器由一個(gè)寬帶混合器實(shí)現(xiàn)。這個(gè)下下變頻器將一個(gè)預(yù)置本地振蕩器和輸入高頻段信號(hào)混合并產(chǎn)生兩個(gè)鏡像，一個(gè)是差頻而另一個(gè)是和頻。差頻是高頻段通過混合器的鏡像，但現(xiàn)在它落入一個(gè)示波器前端可以處理的頻段內(nèi)。這樣高頻段全部轉(zhuǎn)移到低頻段內(nèi)。這和調(diào)頻收音機(jī)的基本原理是一樣的。本質(zhì)上，低頻段和高頻段被都被示波器捕獲。低頻段在原來的位置，而高頻段被“移動(dòng)”到差頻的位置。






一旦捕獲，每個(gè)頻段開始信號(hào)處理。處理的主要結(jié)果是將高頻段和一個(gè)本地振蕩器的數(shù)字合成復(fù)制品再次混合
以使其頻段落入正確的頻率位置。它也將數(shù)字化消除有混合而帶來的新的鏡像。最后這兩個(gè)頻段被重新整合成
型為一個(gè)波形，這樣利用一個(gè)示波器通道將采樣帶寬加倍。

一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是記住采用DBI時(shí)每個(gè)頻段都要落入每個(gè)通道可捕獲帶寬范圍內(nèi)。數(shù)字信號(hào)處理用來合成波形，但是
它不用來擴(kuò)展通道帶寬。這樣就帶來了帶寬擴(kuò)展的問題，正如增加的噪音不是由基于DBI的示波器引起的。

DBI技術(shù)由兩個(gè)關(guān)鍵因素推動(dòng)。首先是近來微波和射頻技術(shù)的進(jìn)步。新一代寬帶寬放大器，混合器，衰減器，濾波器等，可保證實(shí)時(shí)示波器信號(hào)輸入通道的獲得的幅度精度。

第二個(gè)推動(dòng)因素是基于Intel CPU的儀器所帶來的DSP運(yùn)算速度，而不用老是考慮信號(hào)處理。奔騰處理器是世界上最快的浮點(diǎn)運(yùn)算DSP。

力科利用處理器的強(qiáng)大處理能力，用DSP技術(shù)彌補(bǔ)模擬信號(hào)路徑。最終的挑戰(zhàn)來自設(shè)計(jì)出可用來校準(zhǔn)儀器，執(zhí)行復(fù)雜算法的自動(dòng)系統(tǒng)。結(jié)果是產(chǎn)生令人信服的解決方案。

DBI是突破實(shí)時(shí)示波器帶寬成本，設(shè)計(jì)代價(jià)和IC設(shè)計(jì)工藝的速度限制，只局限于射頻和微波設(shè)計(jì)技術(shù)速度。采用DBI技術(shù)提升了門檻，由于至少三個(gè)因素中的一個(gè)在將來就繼續(xù)提升。

DBI是一種會(huì)使示波器帶寬不斷得到提升的創(chuàng)新。未來，力科將會(huì)在一開始設(shè)計(jì)示波器時(shí)就引入DBI。以后的實(shí)時(shí)示波器將免除用戶在決定選擇何種儀器時(shí)將帶寬列為首要考慮的后顧之憂。

引入DBI技術(shù)將推動(dòng)示波器與采用傳統(tǒng)技術(shù)的儀器相比獲得更好的表現(xiàn)。首要考慮的因素是精度和噪音。頻率響應(yīng)精度和回波損耗，再現(xiàn)串行信號(hào)眼圖的精度是特別重要的因素。第一代采用DBI設(shè)計(jì)的儀器已經(jīng)得到了改善。


The SDA 11000 – LeCroy’s first DBI enabled serial data
analyzer operates at 11 GHz bandwidth and 40 GS/s
sample-rate


Eye pattern from 6 Gb/s PRBS measured with SDA 11000