簡(jiǎn)潔是信號完整性設計的基礎: 示波器硬件架構設計

　　我們來(lái)看一下DSP提升帶寬是怎么一回事。首先需要澄清的是，示波器中有很多DSP技術(shù)，比如，正弦內插，相位糾正等，這些是多數高端實(shí)時(shí)示波器都使用的技術(shù)。用DSP提升帶寬是完全不同的概念，圖3揭示了DSP提升帶寬的原理，紅色曲線(xiàn)代表示波器前置放大器的頻響曲線(xiàn)，其-3dB點(diǎn)代表前置放大器的硬件帶寬，比如16GHz，藍色曲線(xiàn)代表經(jīng)DSP處理后，將紅色頻響曲線(xiàn)提升為藍色曲線(xiàn)，也就是將-3dB點(diǎn)對應的頻率提升到一定程度；如20GHz，綠色曲線(xiàn)代表將示波器的頻響曲線(xiàn)的高頻部分信號進(jìn)行放大，提升到藍色曲線(xiàn)的位置，這樣就將-3dB點(diǎn)對應的頻率提升了，也就是示波器帶寬被提升了。

　　這種方法討論到目前為止似乎很完美，只是有一點(diǎn)副作用，即將高頻信號成份進(jìn)行放大的同時(shí)也將示波器本底噪聲放大了，因此，取決于DSP技術(shù)提升帶寬的多少。信號的保真度下降，測量結果有可能比一臺帶寬比它低（但純粹用前置放大器實(shí)現）的示波器更糟糕，DSP提升帶寬的代價(jià)是本底噪聲的升高，示波器廠(chǎng)家通常以此作為到底要用DSP提升帶寬到多高。安捷倫在前置放大器芯片帶寬不能做到超過(guò)12GHz 的時(shí)候，嘗試用DSP技術(shù)提升帶寬，最后決定只提升到13GHz，以保證底噪聲方面的優(yōu)勢不會(huì )失去。有了32GHz前置放大器芯片后，就無(wú)需使用該技術(shù)了。

　　圖4 用DSP提升帶寬的示波器的頻譜，在帶寬超過(guò)前置放大器硬件帶寬后，其本底噪聲明顯被放大

　　檢驗示波器的本底噪聲有兩種方法，一種是使用FFT，觀(guān)察其本底噪聲對應的譜，在前置放大器對應的帶寬之內，底噪聲譜線(xiàn)是平坦的，超過(guò)前置放大器帶寬，無(wú)論用什么技術(shù)提升示波器帶寬，其底噪聲都會(huì )向上被提升。圖4是一個(gè)DSP提升16GHz到20GHz帶寬的示波器的頻譜，在16GHz以?xún)绕涞自肼曨l譜基本上是平坦的，超過(guò)16GHz，明顯發(fā)現底噪聲被放大了。另一種方法是在不接任何信號的情況下，直接測量其本底噪聲的電壓有效值。圖5給出在50mV/div的設置下，三種用不同技術(shù)實(shí)現的超過(guò)16GHz帶寬示波器的底噪聲，水平軸代表示波器帶寬，垂直軸

　　圖5 三種情況實(shí)現超過(guò)16GHz帶寬示波器的本底噪聲比較，90000 X用前置放大器直接架構出示波器，底噪聲最低，而且呈線(xiàn)性分布，DSP和DBI提升帶寬的示波器，底噪聲成非線(xiàn)性分布，在帶寬提升點(diǎn)開(kāi)始，底噪聲突變

　　代表在不同帶寬下其底噪聲電壓有效值。90000 X系列示波器是采用磷化銦制程、快膜封裝三維設計，直接用32GHz帶寬的前置放大器架構的示波器，其底噪聲密度在1GHz和32GHz地方是一樣的，因此底噪聲呈線(xiàn)性分布，其底噪聲絕對值也最低，這主要取決于其磷化銦制程、氮化鋁散熱材料、晶粒嵌入襯底（晶粒和快膜間的鍵合線(xiàn)短）、無(wú)過(guò)孔設計、三維波導式傳輸線(xiàn)設計和微波暗室式模塊封裝。用DSP提升帶寬的示波器，其底噪聲密度在超過(guò)前置放大器帶寬后變高，整個(gè)底噪聲呈非線(xiàn)性。用頻域內插DBI提升帶寬的示波器底噪聲最差，稍后解釋原因。

　　DBI提升示波器帶寬完全改變了示波器的硬件架構，圖6是DBI提升示波器帶寬的硬件原理圖，DBI頻率內插技術(shù)在多年前已有一廠(chǎng)家推出，至今以來(lái)沒(méi)有被業(yè)界廣泛接受。其實(shí)，在示波器中使用內插技術(shù)是非常普遍的，比如，幾乎所有的示波器廠(chǎng)家都用兩個(gè)模數轉換器交替采樣，可將采樣率提高兩倍。如果用四個(gè)模數轉換器交替采樣，則可將采樣率提高四倍。多個(gè)通道間的存儲深度也可以交替使用，實(shí)現存儲深度加倍甚至四倍，為什么DBI數字帶寬通道復用技術(shù)沒(méi)有像采樣通道復用和內存通道復用技術(shù)一樣很快被業(yè)界接受呢？

圖6 數字帶寬通道復用(DBI)技術(shù)原理圖

　　我們來(lái)看一下數字帶寬通道復用(DBI)技術(shù)原理，如圖6所示，它和采樣通道復用或內存通道復用技術(shù)不同，后者是信號經(jīng)前置放大器和模數轉換器之后進(jìn)行的通道交錯使用技術(shù)，DBI是在信號還沒(méi)有進(jìn)入前置放大器之前就被復用一次，也就是，先要經(jīng)過(guò)一個(gè)信號分離器。以30GHz帶寬的DBI示波器為例，該信號分離器實(shí)際上由兩個(gè)濾波器組成，一個(gè)是低通濾波器，另一個(gè)帶通濾波器，對30GHz帶寬的DBI示波器，其低通濾波器頻段是DC（直流）～16GHz，帶通濾波器頻段是16GHz～30GHz，圖中的前置放大器有兩個(gè)，代表要使用兩個(gè)示波器通道來(lái)實(shí)現一路信號的測量，經(jīng)過(guò)低通濾波器的信號進(jìn)入示波器的一個(gè)輸入通道的前置放大器，經(jīng)過(guò)帶通濾波器的信號不能直接進(jìn)入另外一個(gè)輸入通道的前置放大器，因為前置放大器的帶寬不夠，在帶通濾波器和前置放大器之間要使用一個(gè)下變頻器。下變頻器必須是一個(gè)寬帶混頻器帶有一個(gè)本振輸入，本振輸入和經(jīng)過(guò)帶通濾波器進(jìn)來(lái)的高頻信號進(jìn)行混頻生成一個(gè)差頻及一個(gè)和頻，差頻信號的頻段在后續前置放大器的帶寬范圍內，因此，該差頻信號被接入到前置放大器，本質(zhì)上實(shí)現了頻率搬移，將被測信號的高頻成份搬移到低頻頻段。被測信號被一分為二后，各自經(jīng)前置放大器處理，進(jìn)入模數轉換器和采樣內存。該原理圖沒(méi)有提及進(jìn)入采樣內存之后怎么辦，實(shí)際上要接著(zhù)進(jìn)行進(jìn)一步的數字信號處理，把被頻率搬移下來(lái)的信號與數字合成的本振再次混頻，生成一個(gè)差頻和一個(gè)和頻，差頻會(huì )被棄用，和頻實(shí)際上也是一種頻率搬移結果，只不過(guò)這次是將頻率從低頻搬回到高頻，再和另一個(gè)通道的采集結果重新組合，頻域時(shí)域換算處理后還原出原始的輸入信號。這樣，用16GHz帶寬的前置放大器就能采集超過(guò)16GHz的被測信號，實(shí)現帶寬的提升。