术在光通信领域已进入太比特(terabit),在服务器领域已进入第五代高速总线接口,在无线通信领域也出现各种新的标准规范,所有这一切,都对实时示波器提出类似的需求,即更高的带宽、更多的通道并行工作、更小的仪器自身误差。同样,类似在60GHz频段占用大约4GHz带宽的802.11ay这样的毫米波宽带应用也正在兴起。在对这些信号进行测量,尤其是针对高阶调制信号的EVM(误差矢量幅度)和几个Giga以上波特率信号的眼图时,对仪器自身的信号完整性也提出了前所未有的要求。

为满足这些需求,是德科技(Keysight)研发设计了专门的芯片组,采用特有的磷化铟半导体工艺,实现110GHz前端硬件带宽,并采用10bitADC,将自身信号完整性推到极致。不仅如此,Keysight还将该技术优化,下沉到更低的带宽,覆盖13-110GHz全带宽范围,将其应用范围扩展到更广泛的高速数字设计和无线设计领域。纵观全球高端实时示波器技术,在是德科技InfiniiumUXR系列示波器推出之前,40GHz及以上带宽都是用频率交织这种折衷技术实现的,额外带来的噪声和失真会叠加到被测信号上。

 

信号的旅途

了解是德科技UXR系列示波器最好的方法是,跟随被测信号进入该示波器旅程的每一个路径(参见图1)信号是通过示波器的前端连接器进入每个通道的,连接器和通道设计得不好,会带来额外噪声和反射等问题,从而造成测量不精确。

1 简化的UXR示波器结构框图

13-33GHz带宽的UXR型号采用3.5mm连接器,支持传统的AutoProbeII探头自动识别接口,与现有的VZ系列示波器所使用的探头和电缆兼容,支持33GHz以下带宽的有源探头,当然也支持单端或差分的SMA连接。40-70GHz带宽的UXR型号则采用1.8mm连接器,相比3.5mm连接器,通用性差一些,但要将带宽扩展到这个范围,就必须放弃3.5mm连接器。80-110GHz带宽的UXR型号采用1.0mm连接器,这是毫米波端的行业标准,支持高达110GHz的频率范围,但就像所有1.0mm连接器一样,娇贵是其特点之一,也需要适配器和传统的探头连接,不过,使用这个带宽示波器的工程师大多情况会直接使用线缆连接被测对象,以便最大化测试系统自身的信号完整性,手拿探头来测这个频段的信号没什么意义。

信号经前端连接器进入之后,会经过一机械衰减器,然后再进入前端模块的前置放大器,虽然听起来好像很简单的样子,但这是UXR示波器和其它品牌高端示波器的关键区别之一。前端模块里面有多个是德科技特有的磷化铟工艺芯片,浸淫其中近80年的射频微波技术让是德科技在保护芯片最小化噪声和干扰影响方面积累了很多经验,该前端模块采用法拉第三维屏蔽箱(参见图2)以及诸多专有设计来实现,处理高达110GHz频宽信号的同时,把噪声降到最小。

2 110GHz前端模块

当我们说该前端模块是UXR示波器和其它品牌高端示波器的关键区别之一的时候,我们是说,对于40GHz及更高的实时带宽示波器,其它品牌必须采用折衷技术,无论给这种技术起什么样的名称,本质上都是利用频率交织技术,将信号下变频或滤波到40GHz以下,也就是他们所用的锗硅工艺芯片所能处理的频率范围。在原有芯片组能力的基础上,频率交织技术可以将示波器的带宽加倍,甚至是三倍,这种折衷技术的缺点是,必须使用额外的带通滤波或其它滤波技术,增加了额外的噪声和失真,这些噪声和失真在经过前置放大器时,又被进一步放大,数据采集之后,再用DSP数字信号处理把信号重新拼接在一起,进一步增加了示波器的本底噪声。UXR示波器使用的前置放大器直接覆盖直流到110GHz频率范围,无需使用上面说到的折衷技术,也就是前面无需频率交织技术,后面无需DSP数字信号处理拼接信号,而是和传统示波器一样,被测信号全频段信号直接进入前置放大器。那么,不用频率交织技术,超过40GHz带宽,前置放大器硬件直接支持如此高的频率范围,有什么弊端吗?其中一个弊端就是这种高性能示波器的上市时间会因此被推迟,但这种推迟是值得的,因为性能的提升是令人吃惊的。

信号经过衰减器和前置放大器,接着同时进入采样前端和触发比较器,采样前端和前置放大器一样都是采用磷化铟工艺制作的芯片,这种是德科技独有的技术除了实现110GHz带宽外,也实现了256GSa/s的采样前端,采样前端用的是快进慢出技术,让后面的系统设计变得简单,这也是经典的时间交织(timeinterleaving)技术,与频率交织技术不同的是,时间交织是通过精心控制振荡器电路板来实现的。采样前端后面,紧接着是ADC(模数转换器),这是一个10比特的模数转换器阵列,每个阵列包括410比特模数转换器,每个10比特模数转换器的速率是64GSa/s,比最常见的8比特模数转换器,垂直分辨率提升4倍。经10比特模数转换器量化后的信号被送到内存控制器,这是一款是德科技专门设计的芯片,又称作数据加速芯片,完成大数据量的加速操作,存储器则是使用先进的三维存储技术,也就是HMC存储器技术,存储深度达2G采样点每个通道。触发比较器将触发信息输出到内存控制器,完成触发、滤波、去嵌入等基于硬件实现的操作,甚至支持波形图的绘制,降低后面的FPGACPU处理数据的负担,提升示波器性能。内存控制器将数据传送到FPGAFPGA负责通过PCI-E高速接口与CPU沟通,将测量结果和信号显示在屏幕上。每个110GHz带宽的通道都对应一个采集板,确保四个通道同时运行时,每个通道都是满带宽、满采样率和满存储深度。

该示波器的全新设计为业界树立了新的里程碑如下:

    四个通道同时使用,每个通道可同时达到110GHz带宽

    本底噪声很低,比如,在10mV/div设置下,仅为210μVrms

    固有抖动低,在1μs/div设置下,仅为25fsrms

    通道间固有抖动低,仅额外增加10fsrms

    系统数模转换有效位高达6.8比特

 

为什么意义重大?

对于正出现的高达110GHz的毫米波应用,在进行信号分析时,UXR示波器提供了新的手段和视角,直接对毫米波宽带信号进行数字化,然后用专门的后处理应用软件分析,在UXR之前,工程师一般是使用下变频器和几个GHz带宽的中端示波器对毫米波宽带信号进行分析。UXR的精度高达6.8比特有效位,使得像802.11ay这样的高阶调制信号,测量其宽带EVM成为可能。

在高速数字接口行业,随着一代一代新标准的诞生,设计周期的要求越来越短,设计本身越来越接近硬件的极限,因此测试冗余度一直在减少,一致性合规测试也变得愈来愈困难。以前,比特位宽时间较长,要通过规范,最重要的是信号建立时间和边沿时间,如今,通过一致性合规测试,需要预加重、均衡以及严格的模板测试验证,毫伏级的噪声都有机会造成通过和不通过的区别,UXR示波器将自身信号完整性降到最低,包括本底噪声和固有抖动,在10mV/div设置下,其本底噪声仅为210μVrms,而固有抖动仅为25fs,在测试信号眼图时,眼宽更宽,眼高更高,更有信心通过一致性测试,也就是不用担心仪器自身的误差带来的影响。

在太比特和光通信研发领域,下一代技术突破受限于测试设备的限制,高阶调制信号对测量仪器提出更高的要求,包括更高的带宽、更低的本底噪声、更低的通道间抖动、多个通道同时使用,只有同时达到这些要求才能准确解析相干信号的设计。当然,你可以把多个单通道的仪器级联起来实现多通道,这样做不仅仅是费用的问题,更重要的是会带来测量误差,级联起来的仪器,其通道间抖动指标下降,会成为精确测量相干信号的障碍。UXR一台示波器同时支持四个高带宽通道,而且通道间的抖动指标是飞秒级的,使得以前做不到的测量,现在可以做到了。

UXR示波器的技术突破,不是单点突破,也不是两点突破,而是系统级的全面突破,带宽、水平采样率、垂直分辨率和通道数同时达到业界最高水平。是德科技独有的磷化铟半导体工艺和专有芯片让其自身信号完整性达到巅峰,无需借助频率交织等折衷技术,因此也没有折衷技术带来的各种问题。


2018年12月06日

泰克示波器的选型指南
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采用110GHz前端的示波器无需频率交织

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