力科创新的DBI技术原理

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著名的摩尔定律¹指出，晶体管的密度每隔18个月就会翻一番。由于晶体管的速度与线性密度大体成正比，因此这意味着晶体管速度每隔三年就会翻一番。尽管示波器在悠久的发展历史中发生了许多变化，但它仍是电子仪器开发中使用的主要工具，摩尔定律要求，示波器提供的带宽每隔三年也必须翻一番，才能跟上电子仪器的发展步伐。

在实时示波器中(等效时间或采样示波器采用不同的规则)，从传统上看，最新的带宽提高一直通过在示波器前端放大器、ADC和存储器的设计和开发中采用更高速的流程来实现。遗憾的是，对示波器制造商来说，这意味着重新设计各种自定义IC，其成本会以指数速度提高。²随着这些高性能仪器的生命周期持续缩短，这些成本被转嫁到示波器客户身上。

[图示内容：]

Moore’s Law Applied to Scope Bandwidth: 摩尔定律应用到示波器带宽中

Bandwidth (GHz): 带宽(GHz)

Year: 年

Realtime Oscilloscope Bandwidth: 实时示波器带宽

Various High Bandwidth Realtime Scope Models: 各种高带宽实时示波器型号

从历史上看，明智的公司认识到，摩尔定律所说的趋势只会使问题不断延续。示波器制造商不断沿着带宽持续上升的曲线行进，承受着这些上升带来的痛苦。但在整个发展过程中，各公司偶尔会发现重大的可以改变这些规则的突破性创新技术。有许多这样的实例，可能最好的实例之一是看一下硬盘发展历史及PRML的发明，后者实现了远远超过主导趋势预测的密度。³

在高带宽示波器设计领域中，过去二十年中带动行业发展的主要创新是通道复用技术。通道复用是把各种通道资源结合在一起的技术，即通道数字化器和存储器，以创建拥有非常高的采样率和存储深度的示波器。这种创新技术降低了各个数字化器速度的限制，单独的数字化器速度要远远低于实现的有效采样率。尽管通道复用非常成功，但它没有解决带宽问题，因为通道复用的数字化器由前端放大器驱动，前端放大器必须设计成适应仪器的最终带宽。

力科已经研制出一种新的通道复用技术，称为数字带宽通道复用或DBI，它象传统技术一样，可以提高采样率和存储长度，同时还可以提高带宽。

[图示内容：]

传统通道复用拓扑

Input: 输入

Front-end Amplifier: 前端放大器

Digitizers: 数字化器

Memory: 存储器

[图示内容：]

带宽通道复用拓扑

Input: 输入

Diplexer: 双工机

Front-end Amplifier: 前端放大器

Digitizers: 数字化器

Memory: 存储器

传统通道复用有一定的硬件要求，以把信号和时钟传送到多条路径上，其问题主要是校准多条路径的定时和增益/偏置。有多种方式实现这种校准，获得最佳校正的算法可能会相当复杂。但是，实现通道复用的软件基本上非常简单明了。

数字带宽通道复用则需要在后端使用额外的硬件、校准和数字信号处理，恢复示波器用户的信号输入。

下面是DBI简化的硬件拓扑图。输入信号基本上使用双工机分开。双工机是一种微波滤波器，旨在把进入的信号分离到多个频段中。在两通道带宽翻倍排列中，低频段从双工机直接传送到一个前端。双工机的低频路径的截止频率是为通过满足示波器前端带宽功能的整个频段设计的。高频段进入下变频器。下变频器使用宽带混频器实现。下变频器把预先确定的本振与进入的高频段混频，生成两个图像频段，一个在差频率上，另一个在和频率上。差频率是传送到混频器的高频图像，但现在位于可以使用示波器前端处理的频段内。因此，高频段整个被转移到低频段上。它使用的基本概率与无线电接收机相同。从本质上看，示波器会同时采集低频段和高频段，低频段位于原来的位置，高频段“移动”到不同的(较低)频率位置。

一旦采集，每个频段将进行信号处理。处理的主要作用是把高频段与数字合成的本振复制品再混频，把频段移动到正确的频率位置。它还以数字方式抑制混频操作生成的新图像。最后，两个频段重新组合，构成一个采集，其带宽几乎是采用一条示波器通道进行的采集带宽的两倍。

与DBI有关的一个要点是，每个频段都要位于将执行采集的采集通道的带宽能力范围内。它使用数字信号处理重新组合波形，但不使用数字信号处理“扩展”通道的带宽。因此，基于DBI的示波器不会引入带宽扩展问题，如噪声提高。

DBI技术基于两种关键要素：第一个是微波和RF技术的最新改进。新一代宽带宽放大器、混频器、衰减器、滤波器等可以实现实时示波器输入信号路径要求的幅度精度。

第二个是基于Intel Pentium处理器的仪器内部的数字信号处理速度。尽管Pentium一般不会被认为是“信号处理器”，但它是世界上速度最快的浮点数字信号处理器⁴。

由于提供的原始处理能力，力科掌握了补偿模拟信号路径使用的数字信号处理技术。最终挑战是设计和实现自动化测试系统中使用的校准仪器的复杂程序，其结果，可以得到性能难以置信的解决方案。

DBI技术把实时示波器带宽的限制从IC设计工艺的成本、设计工作和速度限制转移到RF和微波设计技术的速度限制上。在当前应用中，DBI至少把性能标杆提高了三倍，并将继续提高。

因此，DBI是突破或打破示波器带宽发展趋势的一种创新技术。将来，力科将推出在设计周期一开始就内置DBI的示波器。在将来的实时示波器中，用户在试图确定哪类仪器适应自己的测量需求时，他们将不会再把带宽作为主要考虑因素。

基于DBI的示波器将象采用传统技术的仪器一样运行。精度和噪声等参数基本相同。频响精度和回波损耗这些参数对精确地复现串行数据信号的眼图尤为重要，在第一台设计了DBI的仪器中实际上已经得到改进。

本文作者现任力科公司首席技术专家，是数字带宽通道复用技术的共同发明人。他在力科工作了10年，先后担任各种职务，包括数字信号处理工程师和高性能示波器产品市场经理。他在Rutgers大学获得电气工程学士学位。是Tau Beta Pi、Eta Kappa Nu和IEEE通信和信号处理协会的会员。他在测量行业数字信号处理应用中持有多项专利。

1 Gordon E. Moore, “把更多的元件放到集成电路上”, Electronics, Volume 38, Number 8, 1965年4月19日

2 Simon Young, “芯片开发的风险/回报现实”, TechOnLine Publication, 2002年11月7日

3 Clayton M. Christensen, “创新者的困境”, Harvard Business School Press, 1997

4 BDTImark2000™ Scores, 伯克利设计科技公司, 2001年6月