簡潔是信號完整性設計的基礎: 示波器硬件架構設計

　　我們來看一下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，比如，正弦內插，相位糾正等，這些是多數高端實時示波器都使用的技術。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，紅色曲線代表示波器前置放大器的頻響曲線，其-3dB點代表前置放大器的硬件帶寬，比如16GHz，藍色曲線代表經DSP處理后，將紅色頻響曲線提升為藍色曲線，也就是將-3dB點對應的頻率提升到一定程度；如20GHz，綠色曲線代表將示波器的頻響曲線的高頻部分信號進行放大，提升到藍色曲線的位置，這樣就將-3dB點對應的頻率提升了，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，只是有一點副作用，即將高頻信號成份進行放大的同時也將示波器本底噪聲放大了，因此，取決于DSP技術提升帶寬的多少。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現）的示波器更糟糕，DSP提升帶寬的代價是本底噪聲的升高，示波器廠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12GHz 的時候，嘗試用DSP技術提升帶寬，最后決定只提升到13GHz，以保證底噪聲方面的優(yōu)勢不會失去。有了32GHz前置放大器芯片后，就無需使用該技術了。

　　圖4 用DSP提升帶寬的示波器的頻譜，在帶寬超過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，底噪聲譜線是平坦的，超過前置放大器帶寬，無論用什么技術提升示波器帶寬，其底噪聲都會向上被提升。圖4是一個DSP提升16GHz到20GHz帶寬的示波器的頻譜，在16GHz以內其底噪聲頻譜基本上是平坦的，超過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，三種用不同技術實現的超過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 三種情況實現超過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，而且呈線性分布，DSP和DBI提升帶寬的示波器，底噪聲成非線性分布，在帶寬提升點開始，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短）、無過孔設計、三維波導式傳輸線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前置放大器帶寬后變高，整個底噪聲呈非線性。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頻率內插技術在多年前已有一廠家推出，至今以來沒有被業(yè)界廣泛接受。其實，在示波器中使用內插技術是非常普遍的，比如，幾乎所有的示波器廠家都用兩個模數轉換器交替采樣，可將采樣率提高兩倍。如果用四個模數轉換器交替采樣，則可將采樣率提高四倍。多個通道間的存儲深度也可以交替使用，實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沒有像采樣通道復用和內存通道復用技術一樣很快被業(yè)界接受呢？

圖6 數字帶寬通道復用(DBI)技術原理圖

　　我們來看一下數字帶寬通道復用(DBI)技術原理，如圖6所示，它和采樣通道復用或內存通道復用技術不同，后者是信號經前置放大器和模數轉換器之后進行的通道交錯使用技術，DBI是在信號還沒有進入前置放大器之前就被復用一次，也就是，先要經過一個信號分離器。以30GHz帶寬的DBI示波器為例，該信號分離器實際上由兩個濾波器組成，一個是低通濾波器，另一個帶通濾波器，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，代表要使用兩個示波器通道來實現一路信號的測量，經過低通濾波器的信號進入示波器的一個輸入通道的前置放大器，經過帶通濾波器的信號不能直接進入另外一個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下變頻器。下變頻器必須是一個寬帶混頻器帶有一個本振輸入，本振輸入和經過帶通濾波器進來的高頻信號進行混頻生成一個差頻及一個和頻，差頻信號的頻段在后續(xù)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，本質上實現了頻率搬移，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，各自經前置放大器處理，進入模數轉換器和采樣內存。該原理圖沒有提及進入采樣內存之后怎么辦，實際上要接著進行進一步的數字信號處理，把被頻率搬移下來的信號與數字合成的本振再次混頻，生成一個差頻和一個和頻，差頻會被棄用，和頻實際上也是一種頻率搬移結果，只不過這次是將頻率從低頻搬回到高頻，再和另一個通道的采集結果重新組合，頻域時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16GHz的被測信號，實現帶寬的提升。