示波器中的DBI技術(shù)

摩爾定律指出晶體管的數(shù)量每18個月會翻一番。晶體管的速度也對應(yīng)地呈線性增長，那意味著每隔三年晶體管的速度會翻一番。盡管示波器自推出以來在其漫長的歷程中經(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。

考察近年實時示波器(區(qū)別于等效采樣以及采樣示波器)帶寬的傳統(tǒng)增長,得益于采用高速設(shè)計的前端模擬放大器，ADC和存儲器。不幸的是對示波器制造商來說，這意味著要重新設(shè)計各種ASIC,成本也隨之呈指數(shù)級上升。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，睿智的公司意識到這個受摩爾定律驅(qū)使的趨勢是一個嚴(yán)重的問題。示波器制造商只能按照冰冷的帶寬增長曲線前行。但是縱觀歷史，許多公司偶然的突破性創(chuàng)新可以改變許多成名的定律。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)威機構(gòu)的預(yù)測。

在高帶寬示波器設(shè)計領(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)字化儀和存儲器，使得示波器擁有非常高的采樣率和存儲深度。這個創(chuàng)新降低了對單個數(shù)字化儀的速度要求，因為單個數(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，交錯的數(shù)字化儀由設(shè)計成和儀器帶寬保持一致的前端放大器驅(qū)動。

力科發(fā)展了一種新型的Interleaving技術(shù)——數(shù)字帶寬交錯或叫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深度，而且同時可以增加帶寬。

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


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

簡化的DBI硬件原理圖如下。首先，輸入信號被雙工器一分為二。雙工器是微波濾波器，用來將輸入信號分成多個頻段。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)計成通過一個和前端帶寬一致的全頻段濾波器。高頻段進入一個下變頻器。這個下變頻器由一個寬帶混合器實現(xiàn)。這個下下變頻器將一個預(yù)置本地振蕩器和輸入高頻段信號混合并產(chǎn)生兩個鏡像，一個是差頻而另一個是和頻。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”到差頻的位置。






一旦捕獲，每個頻段開始信號處理。處理的主要結(jié)果是將高頻段和一個本地振蕩器的數(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。最后這兩個頻段被重新整合成
型為一個波形，這樣利用一個示波器通道將采樣帶寬加倍。

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

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

第二個推動因素是基于Intel CPU的儀器所帶來的DSP運算速度，而不用老是考慮信號處理。奔騰處理器是世界上最快的浮點運算DSP。

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

DBI是突破實時示波器帶寬成本，設(shè)計代價和IC設(shè)計工藝的速度限制，只局限于射頻和微波設(shè)計技術(shù)速度。采用DBI技術(shù)提升了門檻，由于至少三個因素中的一個在將來就繼續(xù)提升。

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

引入DBI技術(shù)將推動示波器與采用傳統(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)串行信號眼圖的精度是特別重要的因素。第一代采用DBI設(shè)計的儀器已經(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