简洁是信号完整性设计的基础: 示波器硬件架构设计

　　我们来看一下DSP提升带宽是怎么一回事。首先需要澄清的是，示波器中有很多DSP技术，比如，正弦内插，相位纠正等，这些是多数高端实时示波器都使用的技术。用DSP提升带宽是完全不同的概念，图3揭示了DSP提升带宽的原理，红色曲线代表示波器前置放大器的频响曲线，其-3dB点代表前置放大器的硬件带宽，比如16GHz，蓝色曲线代表经DSP处理后，将红色频响曲线提升为蓝色曲线，也就是将-3dB点对应的频率提升到一定程度；如20GHz，绿色曲线代表将示波器的频响曲线的高频部分信号进行放大，提升到蓝色曲线的位置，这样就将-3dB点对应的频率提升了，也就是示波器带宽被提升了。

　　这种方法讨论到目前为止似乎很完美，只是有一点副作用，即将高频信号成份进行放大的同时也将示波器本底噪声放大了，因此，取决于DSP技术提升带宽的多少。信号的保真度下降，测量结果有可能比一台带宽比它低（但纯粹用前置放大器实现）的示波器更糟糕，DSP提升带宽的代价是本底噪声的升高，示波器厂家通常以此作为到底要用DSP提升带宽到多高。安捷伦在前置放大器芯片带宽不能做到超过12GHz 的时候，尝试用DSP技术提升带宽，最后决定只提升到13GHz，以保证底噪声方面的优势不会失去。有了32GHz前置放大器芯片后，就无需使用该技术了。

　　图4 用DSP提升带宽的示波器的频谱，在带宽超过前置放大器硬件带宽后，其本底噪声明显被放大

　　检验示波器的本底噪声有两种方法，一种是使用FFT，观察其本底噪声对应的谱，在前置放大器对应的带宽之内，底噪声谱线是平坦的，超过前置放大器带宽，无论用什么技术提升示波器带宽，其底噪声都会向上被提升。图4是一个DSP提升16GHz到20GHz带宽的示波器的频谱，在16GHz以内其底噪声频谱基本上是平坦的，超过16GHz，明显发现底噪声被放大了。另一种方法是在不接任何信号的情况下，直接测量其本底噪声的电压有效值。图5给出在50mV/div的设置下，三种用不同技术实现的超过16GHz带宽示波器的底噪声，水平轴代表示波器带宽，垂直轴

　　图5 三种情况实现超过16GHz带宽示波器的本底噪声比较，90000 X用前置放大器直接架构出示波器，底噪声最低，而且呈线性分布，DSP和DBI提升带宽的示波器，底噪声成非线性分布，在带宽提升点开始，底噪声突变

　　代表在不同带宽下其底噪声电压有效值。90000 X系列示波器是采用磷化铟制程、快膜封装三维设计，直接用32GHz带宽的前置放大器架构的示波器，其底噪声密度在1GHz和32GHz地方是一样的，因此底噪声呈线性分布，其底噪声绝对值也最低，这主要取决于其磷化铟制程、氮化铝散热材料、晶粒嵌入衬底（晶粒和快膜间的键合线短）、无过孔设计、三维波导式传输线设计和微波暗室式模块封装。用DSP提升带宽的示波器，其底噪声密度在超过前置放大器带宽后变高，整个底噪声呈非线性。用频域内插DBI提升带宽的示波器底噪声最差，稍后解释原因。

　　DBI提升示波器带宽完全改变了示波器的硬件架构，图6是DBI提升示波器带宽的硬件原理图，DBI频率内插技术在多年前已有一厂家推出，至今以来没有被业界广泛接受。其实，在示波器中使用内插技术是非常普遍的，比如，几乎所有的示波器厂家都用两个模数转换器交替采样，可将采样率提高两倍。如果用四个模数转换器交替采样，则可将采样率提高四倍。多个通道间的存储深度也可以交替使用，实现存储深度加倍甚至四倍，为什么DBI数字带宽通道复用技术没有像采样通道复用和内存通道复用技术一样很快被业界接受呢？

图6 数字带宽通道复用(DBI)技术原理图

　　我们来看一下数字带宽通道复用(DBI)技术原理，如图6所示，它和采样通道复用或内存通道复用技术不同，后者是信号经前置放大器和模数转换器之后进行的通道交错使用技术，DBI是在信号还没有进入前置放大器之前就被复用一次，也就是，先要经过一个信号分离器。以30GHz带宽的DBI示波器为例，该信号分离器实际上由两个滤波器组成，一个是低通滤波器，另一个带通滤波器，对30GHz带宽的DBI示波器，其低通滤波器频段是DC（直流）～16GHz，带通滤波器频段是16GHz～30GHz，图中的前置放大器有两个，代表要使用两个示波器通道来实现一路信号的测量，经过低通滤波器的信号进入示波器的一个输入通道的前置放大器，经过带通滤波器的信号不能直接进入另外一个输入通道的前置放大器，因为前置放大器的带宽不够，在带通滤波器和前置放大器之间要使用一个下变频器。下变频器必须是一个宽带混频器带有一个本振输入，本振输入和经过带通滤波器进来的高频信号进行混频生成一个差频及一个和频，差频信号的频段在后续前置放大器的带宽范围内，因此，该差频信号被接入到前置放大器，本质上实现了频率搬移，将被测信号的高频成份搬移到低频频段。被测信号被一分为二后，各自经前置放大器处理，进入模数转换器和采样内存。该原理图没有提及进入采样内存之后怎么办，实际上要接着进行进一步的数字信号处理，把被频率搬移下来的信号与数字合成的本振再次混频，生成一个差频和一个和频，差频会被弃用，和频实际上也是一种频率搬移结果，只不过这次是将频率从低频搬回到高频，再和另一个通道的采集结果重新组合，频域时域换算处理后还原出原始的输入信号。这样，用16GHz带宽的前置放大器就能采集超过16GHz的被测信号，实现带宽的提升。