Методы расширения полосы пропускания осциллографов

Введение

Когда производитель создает модель осциллографа с наиболее широкой полосой, модели с меньшей полосой испытывают на себе «эффект ореола». Если заявленная характеристика осциллографа приближается к рекордной отметке, важно понять, каким образом производитель добился такого результата. В настоящее время существует три разных способа достижения полосы более 20 ГГц. Эти способы включают применение специальной элементной базы (аппаратный метод), а также чередование частот и расширение полосы за счет цифровой обработки сигнала. Покупая осциллограф, нужно знать, каким образом получены заявленные характеристики, поскольку неправильно принятое решение отрицательно скажется на качестве измерений.

Расширение полосы за счет цифровой обработки сигнала (цифровое усиление)

В первом в мире 13-Гц осциллографе для расширения аппаратной полосы от 12 до 13 ГГц был использован способ, известный как цифровое усиление (рис. 1). В то время (2004 год) многие считали, что такой подход порождает слишком большие шумы, и не считали полученную полосу реальной. Однако в 2007 году в первом 20-Гц осциллографе полоса пропускания была расширена от 16 до 20 ГГц именно путем цифрового усиления. Споры вокруг цифрового усиления стихли, когда уже два производителя применили такой подход в своих осциллографах, и, что более важно, на тот момент это был единственный способ расширения полосы пропускания до 20 ГГц.

Рис. 1. Расширение полосы пропускания с помощью цифрового фильтра

Первый осциллограф с полосой пропускания 20 ГГц имел успех на рынке, поскольку пользователи посчитали, что смогут улучшить измерения сигналов последовательных шин со скоростями передачи данных 6 и 8 Гбит/с. Они готовы были приобрести осциллограф, ориентируясь лишь на заявленные характеристики. Способ, с помощью которого были достигнуты такие высокие показатели, пользователей не особенно интересовал.

Так что же такое цифровое усиление? Цифровым усилением называется вид цифровой обработки, в котором высокочастотные составляющие сигнала усиливаются программным способом. Важно отметить, что цифровое усиление не следует путать с другими вариантами цифровой коррекции, используемыми в современных осциллографах. Чтобы понять, как работает цифровое усиление, давайте вспомним, что любой сигнал можно разложить на несколько частотных составляющих. Затем с помощью специальной программы можно усилить высокочастотные составляющие сигнала. Необходимо помнить о том, что цифровое усиление обладает одним существенным недостатком, а именно увеличением шумов усиленного сигнала (рис. 2). Вместе с сигналом усиливается и шум, вносимый осциллографом. В зависимости от коэффициента усиления этот подход может испортить сигнал и дать худшие результаты, чем в случае с меньшей полосой пропускания и без цифрового усиления. Уже одна эта, очень важная причина заставляет тщательно анализировать значение примененного усиления и приемлемость компромисса между уровнем шума и полосой пропускания.

Рис. 2. Свипирование синусоидального сигнала с помощью цифрового усиления (обратите внимание на «усиление» шума на высоких частотах)

Чередование частот

В первом осциллографе с полосой пропускания 30 ГГц использовался метод, известный как чередование частот (рис. 3). Хотя этот метод не столь известен в цифровой технике, он уже давно применялся в области радиочастотных сигналов. Чередование частот не следует путать с используемым производителями осциллографов традиционным чередованием АЦП. В настоящее время для повышения частоты дискретизации и увеличения объема памяти все производители осциллографов используют чередование ресурсов канала, таких как память и АЦП. Например, в осциллографе Agilent Infinitum DSAX93204A используется чередование четырех АЦП, работающих на скорости 20 Гвыб/с, для получения самой высокой в мире частоты дискретизации 80 Гвыб/с. Тем не менее, до появления метода чередования частот методы чередования применялись только для последующего захвата сигнала и должны были строго контролироваться встроенной системой распределения тактовых частот осциллографа. Но даже, несмотря на это, современные осциллографы не гарантированы от сбоев в процессе чередования. Это приводит к росту коэффициента гармоник, а повышенный коэффициент гармоник, в большинстве случаев, представляет собой наихудшую плату за рост частоты дискретизации. Чередование частот позволяет применять чередование не только после захвата сигнала, но и во время самого захвата. Это значит, что в процессе захвата сигнал подвергается чередованию дважды.

Рис. 3. Сравнение собственного уровня шумов разных осциллографов с разными методами цифровой обработки сигнала (обратите внимание, что осциллографы серии 90000 X используют чистую аппаратную обработку)

Чередование частот требует дополнительной аппаратной обработки и расширенной цифровой обработки сигнала. Для пояснения принципа чередования частот рассмотрим некоторый сигнал. Этот сигнал поступает на вход осциллографа и тут же разделяется диплексером (специальной схемой, разделяющий сигнал на несколько частотных диапазонов) на высокочастотные и низкочастотные составляющие. Низкочастотные составляющие эквивалентны обычной аналоговой полосе осциллографа, которая в настоящее время достигает 16 ГГц. Высокочастотные составляющие немедленно преобразуются с понижением частоты, что позволяет обрабатывать их также в схеме осциллографа. Например, если осциллограф обладает аналоговой полосой 16 ГГц и производитель использует чередование частот для расширения полосы до 30 ГГц, то частотные составляющие, лежащие ниже 16 ГГц, не преобразуются, а все составляющие выше 16 ГГц пропускаются через преобразователь частоты. Затем обе частотные составляющие подвергаются тщательной цифровой обработке для обеспечения корректного захвата высокочастотных составляющих. После этого низкочастотные и высокочастотные составляющие объединяются, фактически удваивая аналоговую полосу осциллографа.

Благодаря методу чередования частот производители осциллографов могут выпускать осциллографы с более широкой полосой, не ожидая появления дорогих широкополосных предусилителей. Но, как и для других методов, здесь нужно учитывать некоторые компромиссы. Самый значительный компромисс относится к гармоническим искажениям. В данном случае сигнал не только чередуется для повышения частоты дискретизации, но и чередуется в начале захвата. Кроме дополнительного чередования, применяется еще и преобразование с понижением частоты и значительная цифровая обработка. Все эти операции вносят свои искажения. Осциллографы, использующие чередование частот, также приводят к повышению уровня шумов в сигнале. Необходимо помнить о том, что все эти компромиссы приводят к снижению точности измерений.

Истинная аналоговая полоса

Наиболее сложным способом достижения полосы выше 20 ГГц является создание широкополосного входного тракта. Для получения полосы пропускания более 20 ГГц производитель осциллографа должен финансировать создание комплекта ИС, способных работать в этой полосе (включая предусилитель и дис-кретизатор). Для обработки таких сигналов необходимы транзисторы с частотой среза более 150 ГГц, что дорого и труднодостижимо. Поскольку производитель осциллографов не специализируется на крупносерийном производстве полупроводниковых приборов, процесс создания таких микросхем обходится весьма дорого. Даже при наличии необходимого технологического оборудования производитель должен иметь опыт разработки высокоскоростных устройств. Agilent DSA93204A серии X обладает единой аппаратной полосой пропускания 32 ГГц — самой широкой в отрасли (рис. 4).

Рис. 4. Осциллограф серии 90000 X, обладающий истинной аналоговой полосой пропускания до 32 ГГц

Компания Agilent сделала крупные инвестиции в разработку специальной технологии изготовления транзисторов на фосфиде индия (InP) с частотой среза 200 ГГц (рис. 5). И осциллограф DSA93204A серии X обладает полной аналоговой полосой пропускания 32 ГГц без применения метода чередования частоты или цифрового усиления. Конечным результатом является равная плотность шума в полосе от 1 до 2 ГГц и в полосе от 31 до 32 ГГц. Кроме кристаллов ИС, позволивших получить столь широкую полосу пропускания, в Agilent DSA93204A серии X используется новая технология изготовления корпусов микросхем, которая позволяет реализовать полную полосу ИС на основе InP без перегрева.

Рис. 5. Многочиповый модуль, разработанный компанией Agilent для осциллографов серии 90000X

Другим преимуществом расширения полосы пропускания аппаратными средствами является то, что и в пробниках может использоваться та же элементная база для обеспечения широкой полосы пропускания. В осциллографах Agilent используется система пробников, полоса пропускания которых расширена до 30 ГГц. Осциллограф с полной аналоговой полосой пропускания дает улучшение высоты и ширины глазка более чем на 25% (рис. 6). Самый большой недостаток аппаратной реализации широкой полосы пропускания заключается в увеличении времени разработки. К тому же, помимо широкой аппаратной полосы пропускания осциллографа, важно учесть, насколько хорошо спроектированы остальные его цепи. Так, неудачная конструкция входного такта может существенно увеличить уровень собственных шумов осциллографа. Кроме того, могут присутствовать гармонические искажения, поскольку для повышения частоты дискретизации все еще применяется метод чередования АЦП.

Рис. 6. Сравнение сигнала PRBS7 со скоростью передачи 10,3125 Гбит/с с добавленным ISI: а) полная аналоговая полоса пропускания; б) цифровое усиление

Заключение

Производители осциллографов реального времени продолжают бороться за расширение полосы пропускания прибора, необходимой инженерам-разработчикам в области высоких технологий. Восемь лет назад широкой полосой пропускания считалась полоса 13 ГГц, а сегодня это значение увеличилось до 30 ГГц и выше (рис. 4). Но, кроме широкой полосы пропускания, инженерам нужен прибор, достоверно отображающий то, что реально происходит в тестируемом устройстве. Одни лишь заявленные характеристики не всегда позволяют оценить истинную ценность осциллографа. Производители осциллографов используют разные способы расширения полосы пропускания.

Эти способы имеют свои недостатки, которые в большинстве случаев отрицательно сказываются на точности измерений. Если у вас есть выбор между истинной аналоговой полосой и полосой, достигнутой путем цифровой обработки сигнала, такой как цифровое усиление или чередование частоты, большую точность обеспечит осциллограф с истинной аналоговой полосой пропускания. Тем не менее, для оптимального выбора необходимо тщательно оценить даже самые дорогие осциллографы и определить уровень собственных шумов, минимальный измеряемый джиттер, полосу пропускания и т. п. Что же касается осциллографа DSA93204A серии X (единственного осциллографа с истинной аналоговой полосой более 16 ГГц), он имеет самую широкую полосу пропускания, самый низкий уровень собственных шумов, самый малый измеряемый джиттер и самый малый уровень гармонических искажений.