著名的摩爾定律1指出，晶體管的密度每隔18個月就會翻一番。由于晶體管的速度與線性密度大體成正比，因此這意味著晶體管速度每隔三年就會翻一番。盡管示波器在悠久的發(fā)展歷史中發(fā)生了許多變化，但它仍是電子儀器開發(fā)中使用的主要工具，摩爾定律要求，示波器提供的帶寬每隔三年也必須翻一番，才能跟上電子儀器的發(fā)展步伐。
在實(shí)時示波器中(等效時間或采樣示波器采用不同的規(guī)則)，從傳統(tǒng)上看，最新的帶寬提高一直通過在示波器前端放大器、ADC和存儲器的設(shè)計和開發(fā)中采用更高速的流程來實(shí)現(xiàn)。遺憾的是，對示波器制造商來說，這意味著重新設(shè)計各種自定義IC，其成本會以指數(shù)速度提高。2隨著這些高性能儀器的生命周期持續(xù)縮短，這些成本被轉(zhuǎn)嫁到示波器客戶身上。
[圖示內(nèi)容：]
Moore’s Law Applied to Scope Bandwidth: 摩爾定律應(yīng)用到示波器帶寬中
Bandwidth (GHz): 帶寬(GHz)
Year: 年
Realtime Oscilloscope Bandwidth: 實(shí)時示波器帶寬
Various High Bandwidth Realtime Scope Models: 各種高帶寬實(shí)時示波器型號
從歷史上看，明智的公司認(rèn)識到，摩爾定律所說的趨勢只會使問題不斷延續(xù)。示波器制造商不斷沿著帶寬持續(xù)上升的曲線行進(jìn)，承受著這些上升帶來的痛苦。但在整個發(fā)展過程中，各公司偶爾會發(fā)現(xiàn)重大的可以改變這些規(guī)則的突破性創(chuàng)新技術(shù)。有許多這樣的實(shí)例，可能最好的實(shí)例之一是看一下硬盤發(fā)展歷史及PRML的發(fā)明，后者實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過主導(dǎo)趨勢預(yù)測的密度。3
在高帶寬示波器設(shè)計領(lǐng)域中，過去二十年中帶動行業(yè)發(fā)展的主要創(chuàng)新是通道復(fù)用技術(shù)。通道復(fù)用是把各種通道資源結(jié)合在一起的技術(shù)，即通道數(shù)字化器和存儲器，以創(chuàng)建擁有非常高的采樣率和存儲深度的示波器。這種創(chuàng)新技術(shù)降低了各個數(shù)字化器速度的限制，單獨(dú)的數(shù)字化器速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于實(shí)現(xiàn)的有效采樣率。盡管通道復(fù)用非常成功，但它沒有解決帶寬問題，因為通道復(fù)用的數(shù)字化器由前端放大器驅(qū)動，前端放大器必須設(shè)計成適應(yīng)儀器的最終帶寬。
力科已經(jīng)研制出一種新的通道復(fù)用技術(shù)，稱為數(shù)字帶寬通道復(fù)用或DBI，它象傳統(tǒng)技術(shù)一樣，可以提高采樣率和存儲長度，同時還可以提高帶寬。
[圖示內(nèi)容：]
傳統(tǒng)通道復(fù)用拓?fù)?/strong>
Input: 輸入
Front-end Amplifier: 前端放大器
Digitizers: 數(shù)字化器
Memory: 存儲器
[圖示內(nèi)容：]
帶寬通道復(fù)用拓?fù)?/strong>
Input: 輸入
Diplexer: 雙工機(jī)
Front-end Amplifier: 前端放大器
Digitizers: 數(shù)字化器
Memory: 存儲器
傳統(tǒng)通道復(fù)用有一定的硬件要求，以把信號和時鐘傳送到多條路徑上，其問題主要是校準(zhǔn)多條路徑的定時和增益/偏置。有多種方式實(shí)現(xiàn)這種校準(zhǔn)，獲得最佳校正的算法可能會相當(dāng)復(fù)雜。但是，實(shí)現(xiàn)通道復(fù)用的軟件基本上非常簡單明了。
數(shù)字帶寬通道復(fù)用則需要在后端使用額外的硬件、校準(zhǔn)和數(shù)字信號處理，恢復(fù)示波器用戶的信號輸入。
下面是DBI簡化的硬件拓?fù)鋱D。輸入信號基本上使用雙工機(jī)分開。雙工機(jī)是一種微波濾波器，旨在把進(jìn)入的信號分離到多個頻段中。在兩通道帶寬翻倍排列中，低頻段從雙工機(jī)直接傳送到一個前端。雙工機(jī)的低頻路徑的截止頻率是為通過滿足示波器前端帶寬功能的整個頻段設(shè)計的。高頻段進(jìn)入下變頻器。下變頻器使用寬帶混頻器實(shí)現(xiàn)。下變頻器把預(yù)先確定的本振與進(jìn)入的高頻段混頻，生成兩個圖像頻段，一個在差頻率上，另一個在和頻率上。差頻率是傳送到混頻器的高頻圖像，但現(xiàn)在位于可以使用示波器前端處理的頻段內(nèi)。因此，高頻段整個被轉(zhuǎn)移到低頻段上。它使用的基本概率與無線電接收機(jī)相同。從本質(zhì)上看，示波器會同時采集低頻段和高頻段，低頻段位于原來的位置，高頻段“移動”到不同的(較低)頻率位置。
一旦采集，每個頻段將進(jìn)行信號處理。處理的主要作用是把高頻段與數(shù)字合成的本振復(fù)制品再混頻，把頻段移動到正確的頻率位置。它還以數(shù)字方式抑制混頻操作生成的新圖像。最后，兩個頻段重新組合，構(gòu)成一個采集，其帶寬幾乎是采用一條示波器通道進(jìn)行的采集帶寬的兩倍。
與DBI有關(guān)的一個要點(diǎn)是，每個頻段都要位于將執(zhí)行采集的采集通道的帶寬能力范圍內(nèi)。它使用數(shù)字信號處理重新組合波形，但不使用數(shù)字信號處理“擴(kuò)展”通道的帶寬。因此，基于DBI的示波器不會引入帶寬擴(kuò)展問題，如噪聲提高。
DBI技術(shù)基于兩種關(guān)鍵要素：第一個是微波和RF技術(shù)的最新改進(jìn)。新一代寬帶寬放大器、混頻器、衰減器、濾波器等可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時示波器輸入信號路徑要求的幅度精度。
第二個是基于Intel Pentium處理器的儀器內(nèi)部的數(shù)字信號處理速度。盡管Pentium一般不會被認(rèn)為是“信號處理器”，但它是世界上速度最快的浮點(diǎn)數(shù)字信號處理器4。
由于提供的原始處理能力，力科掌握了補(bǔ)償模擬信號路徑使用的數(shù)字信號處理技術(shù)。最終挑戰(zhàn)是設(shè)計和實(shí)現(xiàn)自動化測試系統(tǒng)中使用的校準(zhǔn)儀器的復(fù)雜程序，其結(jié)果，可以得到性能難以置信的解決方案。
DBI技術(shù)把實(shí)時示波器帶寬的限制從IC設(shè)計工藝的成本、設(shè)計工作和速度限制轉(zhuǎn)移到RF和微波設(shè)計技術(shù)的速度限制上。在當(dāng)前應(yīng)用中，DBI至少把性能標(biāo)桿提高了三倍，并將繼續(xù)提高。
因此，DBI是突破或打破示波器帶寬發(fā)展趨勢的一種創(chuàng)新技術(shù)。將來，力科將推出在設(shè)計周期一開始就內(nèi)置DBI的示波器。在將來的實(shí)時示波器中，用戶在試圖確定哪類儀器適應(yīng)自己的測量需求時，他們將不會再把帶寬作為主要考慮因素。
基于DBI的示波器將象采用傳統(tǒng)技術(shù)的儀器一樣運(yùn)行。精度和噪聲等參數(shù)基本相同。頻響精度和回波損耗這些參數(shù)對精確地復(fù)現(xiàn)串行數(shù)據(jù)信號的眼圖尤為重要，在第一臺設(shè)計了DBI的儀器中實(shí)際上已經(jīng)得到改進(jìn)。
本文作者現(xiàn)任力科公司首席技術(shù)專家，是數(shù)字帶寬通道復(fù)用技術(shù)的共同發(fā)明人。他在力科工作了10年，先后擔(dān)任各種職務(wù)，包括數(shù)字信號處理工程師和高性能示波器產(chǎn)品市場經(jīng)理。他在Rutgers大學(xué)獲得電氣工程學(xué)士學(xué)位。是Tau Beta Pi、Eta Kappa Nu和IEEE通信和信號處理協(xié)會的會員。他在測量行業(yè)數(shù)字信號處理應(yīng)用中持有多項專利。
1 Gordon E. Moore, “把更多的元件放到集成電路上”, Electronics, Volume 38, Number 8, 1965年4月19日
2 Simon Young, “芯片開發(fā)的風(fēng)險/回報現(xiàn)實(shí)”, TechOnLine Publication, 2002年11月7日
3 Clayton M. Christensen, “創(chuàng)新者的困境”, Harvard Business School Press, 1997
4 BDTImark2000™ Scores, 伯克利設(shè)計科技公司, 2001年6月
使用SDA 11000從6 Gb/s PRBS測得的眼圖
SDA 11000 – 力科第一個基于DBI的串行數(shù)據(jù)分析儀實(shí)現(xiàn)了11 GHz的帶寬和40 GS/s的采樣率