簡潔是信號完整性設計的基礎: 示波器硬件架構設計

圖7 數(shù)字帶寬通道復用(DBI)技術，信號被分離后再復原的原理圖

　　由上面的討論可知，數(shù)字帶寬通道復用(DBI)提升帶寬的技術和用DSP提升帶寬的技術是完全不同的， DSP提升帶寬的同時也提升了示波器本底噪聲，DBI沒有在這方面提升示波器本底噪聲，但它改變了示波器的硬件架構，多出了信號分離器和下變頻器兩種硬件及其所需的互聯(lián)電路部分，實際上導致了更大的本底噪聲和測量誤差，如圖5所示，最上面的曲線代表DBI提升帶寬的示波器本底噪聲，在現(xiàn)有高端示波器中，底噪是最高的，不僅高頻段的底噪高，低頻段的底噪也高，這是因為額外的硬件及其互聯(lián)引入額外的底噪聲。圖8則給出DBI示波器底噪聲的頻譜，由于過多的硬件，使得噪聲密度在不同頻段呈現(xiàn)不一樣的結果。這種技術是前置放大器帶寬做不上去而采取的一個辦法，如果前置放大器帶寬能做上去，就不用這種方法了。DBI示波器的硬件指標最后取決于前置放大器、下變頻器、信號分離器、模數(shù)轉換器以及其互聯(lián)部分的設計。

圖8 30GHz帶寬的DBI （數(shù)字帶寬通道復用）示波器本底噪聲的頻譜圖，

（設置：中央頻率是20GHz, 4GHz一格），可以看出底噪密度不是恒定的

　　DBI示波器多出來的硬件所帶來的量測誤差不僅僅是底噪增加，還包括本底抖動的增加。信號分離器和下變頻器本身必須是寬帶器件，其幅頻特性和群延遲特性都不可能做到理想狀態(tài)，不僅單個通道的固有抖動比傳統(tǒng)硬件架構示波器大，通道與通道間的固有抖動會比較大，通常在幾個皮秒數(shù)量級（有效值）。一旦使用下變頻器，等效采樣通常無法 工作，所以廠家一般會指出，超過前置放大器的情況下不再支持等效采樣。

　　通道復用技術在提高實時采樣率方面雖然被業(yè)界廣泛接受，但交錯采樣依然會引入測量誤差，加劇波形的總諧波失真。實際上，交錯采樣可以是通道復用，也可以是同一個通道后面用多個模數(shù)轉換器交錯采樣實現(xiàn)更高的采樣率，關于交錯采樣技術的局限性、驗證方法或注意事項，可以另文專門討論。 16GHz和16GHz以上帶寬的示波器為了實現(xiàn)80GSa/s采樣率，已經(jīng)采用了通道復用技術，不同的是，DBI示波器在已經(jīng)采用通道復用來提高采樣率的情況下，使用了一次帶寬通道復用技術，采樣之前一次復用，采樣之后一次復用，借助后處理軟件恢復原始信號，帶來的測量誤差和不確定性更大些，這可能是DBI示波器至今沒有被廣泛接納的主要原因之一。

　　高端實時示波器的性能不僅僅取決于芯片制程、封裝工藝，簡潔的硬件架構對提升性能是至關重要的。當然，示波器的總體性能往往是多個因素綜合影響的結果，因此工程師一般可通過*估本底噪聲、掃頻響應、脈沖響應、總諧波失真、模數(shù)轉換器有效位數(shù)等來做最后的*判，這些可另文討論。限于篇幅，本文只討論了安捷倫科技為什么沒有用DSP和DBI來提升帶寬，而直接使用最簡潔的設計，即一個 32GHz帶寬的前置放大器芯片直接解決核心難題。對于硬件架構牽涉的其它話題，如高達幾百兆的采樣點如何快速處理，實際上90000 X中有一專門數(shù)據(jù)處理芯片，用硬件處理大量數(shù)據(jù)，實現(xiàn)深存儲下的高速波形捕獲率，這里就不再詳述。