高帶寬實(shí)時(shí)數(shù)字示波器帶寬實(shí)現(xiàn)原理及市場應(yīng)用分析

需要多高的示波器帶寬

根據(jù)傅里葉變換原理，任意一個(gè)信號均可以分解為多個(gè)正弦波，其中偶次倍頻信號能量為零，奇次諧波的功率譜能量隨著諧波次數(shù)的增加而逐漸下降。

如圖1所示為一高速信號的功率譜密度示意圖。其中縱軸表示信號的功率，水平軸表示比特率(1／2為一次諧波位置，3／2為3次諧波位置等等)。圖中的0，10，20，……100對應(yīng)的曲線，表示信號的速率一定，但是信號的上升時(shí)間分別占信號位寬(UnitInterval)的不同比例時(shí)(0％，10％，20％，……100％)的功率譜密度趨勢圖。可見信號的邊沿越陡上升時(shí)間越小，信號的能量下降得就越慢，此時(shí)就需要使用更高帶寬的示波器來測量信號的更高次諧波，才能夠保證信號的真實(shí)性，圖中紅色虛線即表示信號上升沿很陡時(shí)候的功率譜曲線，而藍(lán)色虛線表示信號上升沿時(shí)間約為信號位寬100％時(shí)的功率譜曲線。而對于標(biāo)準(zhǔn)的高速串行信號來說，信號的上升時(shí)間一般為信號位寬的30％，其主要能量集中在5次諧波以內(nèi)。通常來說選擇示波器帶寬一般有如下兩個(gè)經(jīng)驗(yàn)：一是對于非標(biāo)準(zhǔn)信號，如時(shí)鐘信號，一定要看其上升時(shí)間的長短，根據(jù)F=0.35／Tr來估算信號的能量分布范圍，然后選擇3～5倍于該值的示波器帶寬來測量信號；二是對于標(biāo)準(zhǔn)的串行數(shù)據(jù)信號，則選擇示波器帶寬能夠測量到其速率的5次諧波即可。

比如說要測量一個(gè)12Gbps的標(biāo)準(zhǔn)串行信號，需要多高的示波器帶寬算是比較理想的呢?12Gbps的信號其1次諧波為6GHz，3次諧波為18GHz，5次諧波為30GHz，而由于信號的能量是圍繞諧波頻點(diǎn)位置的兩側(cè)進(jìn)行分布的，因此20GHz帶寬的示波器不能夠捕獲到3次諧波的所有能量，如圖1中垂直紅線所示，25GHz帶寬的示波器能夠捕獲到所有的3次諧波能量，如圖1中垂直黃線所示，30GHz能夠捕獲到所有的3次諧波以及S次諧波的一半，如圖1中的垂直綠線所示，45GHz則能夠捕獲到完整的7次諧波成分。

30GHz以上高帶寬示波器的應(yīng)用前景

SAS 12Gbps

SAS 12Gbps的標(biāo)準(zhǔn)還沒有正式推出，但是隨著高速信號發(fā)展的趨勢以及存儲等領(lǐng)域的需求，相信會很快推出正式的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)前文分析，如果要完全捕獲到5次諧波的所有成分，則至少需要36GHz的示波器帶寬。

FC 16Gbps

如果需要完全捕獲到5次諧波的所有成分，則至少需要48GHz的示波器帶寬。

應(yīng)用于相干光通信領(lǐng)域的CEI 25Gbps及CEI 28Gbps的串行信號

CEI-25規(guī)范定義了芯片間28Gbps信號速率的應(yīng)用以及背板上25Gbps信號速率的應(yīng)用。鑒于行業(yè)的需求，整個(gè)元器件級的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)將進(jìn)一步升級以支持更高的系統(tǒng)容量，OIF組織授權(quán)PLL工作組開始25Gbps即CEI-25項(xiàng)目的研究。該項(xiàng)目定義了芯片間28Gbps信號速率的應(yīng)用以及背板上25Gbps信號速率的應(yīng)用：此類信號速率將使得在更窄的接口上(四路)傳輸100Gbps帶寬的信號，比如100Gbps以太網(wǎng)；此類接口將允許更小的接口尺寸，更低的器件引腳數(shù)量，連接器以及光模塊數(shù)量，更低的功率浪費(fèi)，以及無需時(shí)鐘的接口。

對于25Gbps的信號，如果要捕獲完整的s次諧波，則需要75GHz的示波器帶寬，如果要捕獲完整的3次諧波的信號，則需要50GHz帶寬的示波器。

在相干光通信信號測量中，未來還將有速率高達(dá)56Gbps的串行信號，目前正處于實(shí)驗(yàn)室級的研發(fā)過程中，如圖2所示。

Ka波段(35GHz-94GHz)雷達(dá)信號的測量

通過高帶寬示波器直接檢測射頻信號，可以避免因使用檢波器等帶來的失真和噪聲，而且雷達(dá)信號的測試通常還會需要測量多通道之間的相位關(guān)系，因此不僅需要高帶寬示波器，而且還需要多通道示波器。

業(yè)內(nèi)實(shí)現(xiàn)高帶寬示波器的方法

示波器的核心有三個(gè)部分：一是前端模擬放大器，二是高速采樣芯片，三是采集存儲器；這三個(gè)部分決定了示波器的三大最重要的指標(biāo)：帶寬，采樣率，采集存儲深度。示波器的最高帶寬最主要的決定因素是前端模擬芯片的工藝，也就是說芯片的工藝決定了示波器帶寬的提升。目前高帶寬示波器廠家為了獲得高帶寬示波器，主要采用兩種工藝，一種是磷化銦(InP)，一種是鍺化硅(SiGe)，前者一直處于實(shí)驗(yàn)室級的應(yīng)用，沒有得到廣泛的商業(yè)應(yīng)用，而后者則有非常廣泛的商業(yè)應(yīng)用，是相當(dāng)成熟的工藝技術(shù)。目前IBM的8HP鍺化硅工藝是第四代鍺化硅工藝，速率接近上一代的兩倍，可實(shí)現(xiàn)晶體管最高速率為200GHz。當(dāng)前基于磷化銦工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)的前端放大器芯片最高帶寬為32GHz，基于8HP鍺化硅工藝有兩家，一家可實(shí)現(xiàn)36GHz，另外一家為33GHz。因此當(dāng)前業(yè)內(nèi)完全基于芯片的示波器最高帶寬為36GHz，這是美國力科公司(LeCroy)剛剛發(fā)布的芯片組及最新LabMaster 10Zi系列示波器產(chǎn)品。

由于工藝水平的限制，芯片帶寬很難達(dá)到非常高，從而也滿足不了當(dāng)前一些高速信號測試的需要。如前文所述，36GHz的示波器帶寬也只能測量到12Gbps信號的全部5次諧波。而要測量更高速率如28Gbps、56Gbps的信號則無能為力。

因此示波器廠家也發(fā)明了一些專利技術(shù)以進(jìn)一步提升示波器的帶寬。

一種是基于軟件DSP的方法，通過拉伸示波器的前端頻響曲線實(shí)現(xiàn)示波器帶寬的提升，此方法在20GHz帶寬以下示波器中有使用，高于20GHz帶寬的示波器目前還未見有使用。此方法由于通過軟件對信號輸入的后期進(jìn)行處理，所以在拉伸帶寬的同時(shí)，噪聲也被放大。而且信號可能會產(chǎn)生明顯的失真現(xiàn)象。如圖4(左)所示為將一個(gè)16GHz模擬帶寬通過DSP拉伸的方法達(dá)到20GHz帶寬，圖中紅色滾降曲線為初始的16GHz示波器的前端頻響曲線，藍(lán)色滾降曲線為通過DSP算法將原始的16GHz頻響曲線拉伸后的結(jié)果，從圖中可見，帶寬被拉伸的同時(shí)，示波器的底噪(Noise Level)也被明顯的增強(qiáng)了，如圖中綠色曲線所示，此時(shí)如果測試10GHz的正弦波，那么在20GHz位置會有明顯的二次倍頻及20GHz的頻點(diǎn)。也就是說，如果測試10GHz的正弦波，則會產(chǎn)生失真，如圖4(右)所示，紅色為正確的10GHz正弦波信號，藍(lán)色的為使用DSP拉伸得到的20GHz帶寬示波器測量得到的正弦波。

另外一種方法是通過通道資源復(fù)用的方法，即力科公司的DBI專利技術(shù)(數(shù)字帶寬交叉復(fù)用技術(shù))，該技術(shù)通過硬件射頻模擬的方法可實(shí)現(xiàn)將芯片級模擬帶寬提升至少一倍。力科公司最早在2005年就發(fā)明了該項(xiàng)專利技術(shù)，使用在當(dāng)前的最新產(chǎn)品上的DBI技術(shù)已經(jīng)是第七代成熟的技術(shù)。其大致原理如下圖5所示，圖中的放大器(Amplifier)的模擬帶寬為36GHz，當(dāng)增加一個(gè)DBI射頻模塊后，可以將圖中的兩個(gè)放大器的數(shù)字帶寬復(fù)用，從而使模擬帶寬達(dá)到60GHz，DBI射頻模塊的主要作用是將輸入的高頻信號通過特制的低通濾波器和高通濾波器分成兩部分，一部分為0～36GHz的信號成分，一部分為高于36GHz的成分，高于36GHz的信號成分在通過本振混頻到0～36GHz頻率區(qū)間，這樣兩部分信號就可以分別送入具有36GHz模擬帶寬的通道進(jìn)行測試，最終再將處理后的信號合并組合到一起得到一個(gè)完整的高速信號。

力科公司的LabMaster 10Zi特點(diǎn)及主要應(yīng)用領(lǐng)域

基于8HP鍺化硅工藝的芯片組的突破以及DBI專利技術(shù)，力科公司最新推出的新款示波器LabMaster 10Zi具有一系列行業(yè)領(lǐng)先的技術(shù)和指標(biāo)，不僅適合于超高速信號如相干光通信應(yīng)用中的高速信號的測量，也適合多通道信號的時(shí)序、相位差等的測量。主要特點(diǎn)如下：

1、最高硬件模擬帶寬可達(dá)60GHz；

2、最高采樣率可達(dá)160GS／s；

3、最高可分析存儲深度1024MS；

4、前端芯片組模擬帶寬可達(dá)36GHz；

5、36GHz或以下芯片級模擬帶寬使用時(shí)，采樣率可達(dá)80GS／s；

6、36GHz或以下芯片級模擬帶寬使用時(shí)，最大通道數(shù)為20通道；

7、60GHz或者50GHz帶寬使用時(shí)，最大通道數(shù)為10通道；

8、配置成傳統(tǒng)的四通道實(shí)時(shí)示波器時(shí)，每個(gè)通道的芯片級模擬帶寬均可達(dá)到36GHz，采樣率可達(dá)80GS／s；

9、30GHz觸發(fā)帶寬；

10、100fs(RMS)抖動噪底；

11、最大通道數(shù)范圍以內(nèi)，通道數(shù)量可以自由組合配置；

12、集成力科的傳統(tǒng)優(yōu)勢：強(qiáng)大的分析與調(diào)試能力，快速的分析處理和響應(yīng)速度，全面的異常捕獲能力，完善的串行數(shù)據(jù)測試解決方案等。