術在光通信領域已進入太比特(terabit),在服務器領域已進入第五代高速總線接口,在無線通信領域也出現各種新的標準規範,所有這一切,都對實時示波器提出類似的需求,即更高的帶寬、更多的通道並行工作、更小的儀器自身誤差。同樣,類似在60GHz頻段占用大約4GHz帶寬的802.11ay這樣的毫米波寬帶應用也正在興起。在對這些信號進行測量,尤其是針對高階調製信號的EVM(誤差矢量幅度)和幾個Giga以上波特率信號的眼圖時,對儀器自身的信號完整性也提出了前所未有的要求。

為滿足這些需求,是德科技(Keysight)研發設計了專門的芯片組,采用特有的磷化銦半導體工藝,實現110GHz前端硬件帶寬,並采用10bitADC,將自身信號完整性推到極致。不僅如此,Keysight還將該技術優化,下沉到更低的帶寬,覆蓋13-110GHz全帶寬範圍,將其應用範圍擴展到更廣泛的高速數字設計和無線設計領域。縱觀全球高端實時示波器技術,在是德科技InfiniiumUXR係列示波器推出之前,40GHz及以上帶寬都是用頻率交織這種折衷技術實現的,額外帶來的噪聲和失真會疊加到被測信號上。

 

信號的旅途

了解是德科技UXR係列示波器最好的方法是,跟隨被測信號進入該示波器旅程的每一個路徑(參見圖1)信號是通過示波器的前端連接器進入每個通道的,連接器和通道設計得不好,會帶來額外噪聲和反射等問題,從而造成測量不精確。

1 簡化的UXR示波器結構框圖

13-33GHz帶寬的UXR型號采用3.5mm連接器,支持傳統的AutoProbeII探頭自動識別接口,與現有的VZ係列示波器所使用的探頭和電纜兼容,支持33GHz以下帶寬的有源探頭,當然也支持單端或差分的SMA連接。40-70GHz帶寬的UXR型號則采用1.8mm連接器,相比3.5mm連接器,通用性差一些,但要將帶寬擴展到這個範圍,就必須放棄3.5mm連接器。80-110GHz帶寬的UXR型號采用1.0mm連接器,這是毫米波端的行業標準,支持高達110GHz的頻率範圍,但就像所有1.0mm連接器一樣,嬌貴是其特點之一,也需要適配器和傳統的探頭連接,不過,使用這個帶寬示波器的工程師大多情況會直接使用線纜連接被測對象,以便最大化測試係統自身的信號完整性,手拿探頭來測這個頻段的信號沒什麽意義。

信號經前端連接器進入之後,會經過一機械衰減器,然後再進入前端模塊的前置放大器,雖然聽起來好像很簡單的樣子,但這是UXR示波器和其它品牌高端示波器的關鍵區別之一。前端模塊裏麵有多個是德科技特有的磷化銦工藝芯片,浸淫其中近80年的射頻微波技術讓是德科技在保護芯片最小化噪聲和幹擾影響方麵積累了很多經驗,該前端模塊采用法拉第三維屏蔽箱(參見圖2)以及諸多專有設計來實現,處理高達110GHz頻寬信號的同時,把噪聲降到最小。

2 110GHz前端模塊

當AG亚游集团說該前端模塊是UXR示波器和其它品牌高端示波器的關鍵區別之一的時候,AG亚游集团是說,對於40GHz及更高的實時帶寬示波器,其它品牌必須采用折衷技術,無論給這種技術起什麽樣的名稱,本質上都是利用頻率交織技術,將信號下變頻或濾波到40GHz以下,也就是他們所用的鍺矽工藝芯片所能處理的頻率範圍。在原有芯片組能力的基礎上,頻率交織技術可以將示波器的帶寬加倍,甚至是三倍,這種折衷技術的缺點是,必須使用額外的帶通濾波或其它濾波技術,增加了額外的噪聲和失真,這些噪聲和失真在經過前置放大器時,又被進一步放大,數據采集之後,再用DSP數字信號處理把信號重新拚接在一起,進一步增加了示波器的本底噪聲。UXR示波器使用的前置放大器直接覆蓋直流到110GHz頻率範圍,無需使用上麵說到的折衷技術,也就是前麵無需頻率交織技術,後麵無需DSP數字信號處理拚接信號,而是和傳統示波器一樣,被測信號全頻段信號直接進入前置放大器。那麽,不用頻率交織技術,超過40GHz帶寬,前置放大器硬件直接支持如此高的頻率範圍,有什麽弊端嗎?其中一個弊端就是這種高性能示波器的上市時間會因此被推遲,但這種推遲是值得的,因為性能的提升是令人吃驚的。

信號經過衰減器和前置放大器,接著同時進入采樣前端和觸發比較器,采樣前端和前置放大器一樣都是采用磷化銦工藝製作的芯片,這種是德科技獨有的技術除了實現110GHz帶寬外,也實現了256GSa/s的采樣前端,采樣前端用的是快進慢出技術,讓後麵的係統設計變得簡單,這也是經典的時間交織(timeinterleaving)技術,與頻率交織技術不同的是,時間交織是通過精心控製振蕩器電路板來實現的。采樣前端後麵,緊接著是ADC(模數轉換器),這是一個10比特的模數轉換器陣列,每個陣列包括410比特模數轉換器,每個10比特模數轉換器的速率是64GSa/s,比最常見的8比特模數轉換器,垂直分辨率提升4倍。經10比特模數轉換器量化後的信號被送到內存控製器,這是一款是德科技專門設計的芯片,又稱作數據加速芯片,完成大數據量的加速操作,存儲器則是使用先進的三維存儲技術,也就是HMC存儲器技術,存儲深度達2G采樣點每個通道。觸發比較器將觸發信息輸出到內存控製器,完成觸發、濾波、去嵌入等基於硬件實現的操作,甚至支持波形圖的繪製,降低後麵的FPGACPU處理數據的負擔,提升示波器性能。內存控製器將數據傳送到FPGAFPGA負責通過PCI-E高速接口與CPU溝通,將測量結果和信號顯示在屏幕上。每個110GHz帶寬的通道都對應一個采集板,確保四個通道同時運行時,每個通道都是滿帶寬、滿采樣率和滿存儲深度。

該示波器的全新設計為業界樹立了新的裏程碑如下:

    四個通道同時使用,每個通道可同時達到110GHz帶寬

    本底噪聲很低,比如,在10mV/div設置下,僅為210μVrms

    固有抖動低,在1μs/div設置下,僅為25fsrms

    通道間固有抖動低,僅額外增加10fsrms

    係統數模轉換有效位高達6.8比特

 

為什麽意義重大?

對於正出現的高達110GHz的毫米波應用,在進行信號分析時,UXR示波器提供了新的手段和視角,直接對毫米波寬帶信號進行數字化,然後用專門的後處理應用軟件分析,在UXR之前,工程師一般是使用下變頻器和幾個GHz帶寬的中端示波器對毫米波寬帶信號進行分析。UXR的精度高達6.8比特有效位,使得像802.11ay這樣的高階調製信號,測量其寬帶EVM成為可能。

在高速數字接口行業,隨著一代一代新標準的誕生,設計周期的要求越來越短,設計本身越來越接近硬件的極限,因此測試冗餘度一直在減少,一致性合規測試也變得愈來愈困難。以前,比特位寬時間較長,要通過規範,最重要的是信號建立時間和邊沿時間,如今,通過一致性合規測試,需要預加重、均衡以及嚴格的模板測試驗證,毫伏級的噪聲都有機會造成通過和不通過的區別,UXR示波器將自身信號完整性降到最低,包括本底噪聲和固有抖動,在10mV/div設置下,其本底噪聲僅為210μVrms,而固有抖動僅為25fs,在測試信號眼圖時,眼寬更寬,眼高更高,更有信心通過一致性測試,也就是不用擔心儀器自身的誤差帶來的影響。

在太比特和光通信研發領域,下一代技術突破受限於測試設備的限製,高階調製信號對測量儀器提出更高的要求,包括更高的帶寬、更低的本底噪聲、更低的通道間抖動、多個通道同時使用,隻有同時達到這些要求才能準確解析相幹信號的設計。當然,你可以把多個單通道的儀器級聯起來實現多通道,這樣做不僅僅是費用的問題,更重要的是會帶來測量誤差,級聯起來的儀器,其通道間抖動指標下降,會成為精確測量相幹信號的障礙。UXR一台示波器同時支持四個高帶寬通道,而且通道間的抖動指標是飛秒級的,使得以前做不到的測量,現在可以做到了。

UXR示波器的技術突破,不是單點突破,也不是兩點突破,而是係統級的全麵突破,帶寬、水平采樣率、垂直分辨率和通道數同時達到業界最高水平。是德科技獨有的磷化銦半導體工藝和專有芯片讓其自身信號完整性達到巔峰,無需借助頻率交織等折衷技術,因此也沒有折衷技術帶來的各種問題。


2018年12月06日

AG亚游集团示波器的選型指南
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