著名的摩爾定律1指出，晶體管的密度每隔18個(gè)月就會(huì)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(huì)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(kāi)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(shí)示波器中(等效時(shí)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(guò)在示波器前端放大器、ADC和存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)中采用更高速的流程來(lái)實(shí)現(xiàn)。遺憾的是，對(duì)示波器制造商來(lái)說(shuō)，這意味著重新設(shè)計(jì)各種自定義IC，其成本會(huì)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(shí)示波器帶寬
Various High Bandwidth Realtime Scope Models: 各種高帶寬實(shí)時(shí)示波器型號(hào)
從歷史上看，明智的公司認(rèn)識(shí)到，摩爾定律所說(shuō)的趨勢(shì)只會(huì)使問(wèn)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(lái)的痛苦。但在整個(gè)發(fā)展過(guò)程中，各公司偶爾會(huì)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(pán)發(fā)展歷史及PRML的發(fā)明，后者實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)主導(dǎo)趨勢(shì)預(yù)測(cè)的密度。3
在高帶寬示波器設(shè)計(jì)領(lǐng)域中，過(guò)去二十年中帶動(dòng)行業(yè)發(fā)展的主要?jiǎng)?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(chǔ)器，以創(chuàng)建擁有非常高的采樣率和存儲(chǔ)深度的示波器。這種創(chuàng)新技術(shù)降低了各個(gè)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(méi)有解決帶寬問(wèn)題，因?yàn)橥ǖ缽?fù)用的數(shù)字化器由前端放大器驅(qū)動(dòng)，前端放大器必須設(shè)計(jì)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(chēng)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(chǔ)長(zhǎng)度，同時(shí)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(chǔ)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(chǔ)器
傳統(tǒng)通道復(fù)用有一定的硬件要求，以把信號(hào)和時(shí)鐘傳送到多條路徑上，其問(wèn)題主要是校準(zhǔn)多條路徑的定時(shí)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(huì)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(jiǎn)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(hào)處理，恢復(fù)示波器用戶的信號(hào)輸入。
下面是DBI簡(jiǎn)化的硬件拓?fù)鋱D。輸入信號(hào)基本上使用雙工機(jī)分開(kāi)。雙工機(jī)是一種微波濾波器，旨在把進(jìn)入的信號(hào)分離到多個(gè)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(gè)前端。雙工機(jī)的低頻路徑的截止頻率是為通過(guò)滿足示波器前端帶寬功能的整個(gè)頻段設(shè)計(jì)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(gè)圖像頻段，一個(gè)在差頻率上，另一個(gè)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(gè)被轉(zhuǎn)移到低頻段上。它使用的基本概率與無(wú)線電接收機(jī)相同。從本質(zhì)上看，示波器會(huì)同時(shí)采集低頻段和高頻段，低頻段位于原來(lái)的位置，高頻段“移動(dòng)”到不同的(較低)頻率位置。
一旦采集，每個(gè)頻段將進(jìn)行信號(hào)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(dòng)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(gè)頻段重新組合，構(gòu)成一個(gè)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(gè)要點(diǎn)是，每個(gè)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(hào)處理重新組合波形，但不使用數(shù)字信號(hào)處理“擴(kuò)展”通道的帶寬。因此，基于DBI的示波器不會(huì)引入帶寬擴(kuò)展問(wèn)題，如噪聲提高。
DBI技術(shù)基于兩種關(guān)鍵要素：第一個(gè)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(shí)示波器輸入信號(hào)路徑要求的幅度精度。
第二個(gè)是基于Intel Pentium處理器的儀器內(nèi)部的數(shù)字信號(hào)處理速度。盡管Pentium一般不會(huì)被認(rèn)為是“信號(hào)處理器”，但它是世界上速度最快的浮點(diǎn)數(shù)字信號(hào)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(hào)路徑使用的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)。最終挑戰(zhàn)是設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)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(shí)示波器帶寬的限制從IC設(shè)計(jì)工藝的成本、設(shè)計(jì)工作和速度限制轉(zhuǎn)移到RF和微波設(shè)計(jì)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(shì)的一種創(chuàng)新技術(shù)。將來(lái)，力科將推出在設(shè)計(jì)周期一開(kāi)始就內(nèi)置DBI的示波器。在將來(lái)的實(shí)時(shí)示波器中，用戶在試圖確定哪類(lèi)儀器適應(yīng)自己的測(cè)量需求時(shí)，他們將不會(huì)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(duì)精確地復(fù)現(xiàn)串行數(shù)據(jù)信號(hào)的眼圖尤為重要，在第一臺(tái)設(shè)計(jì)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(zhuān)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(hào)處理工程師和高性能示波器產(chǎn)品市場(chǎng)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(hào)處理協(xié)會(huì)的會(huì)員。他在測(cè)量行業(yè)數(shù)字信號(hào)處理應(yīng)用中持有多項(xiàng)專(zhuān)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(kāi)發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)/回報(bào)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(jì)科技公司, 2001年6月
使用SDA 11000從6 Gb/s PRBS測(cè)得的眼圖
SDA 11000 – 力科第一個(gè)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