原创 示波器中的DBI技术

注：本文翻译自LeCory的Digital Bandwidth Interleaving一文，欢迎方家指正。

Peter J. Pupalaikis
Principal Technologist
March 29, 2005

Digital Bandwidth Interleaving
"The number of transistors on a chip
doubles every 18 months."
- attributed to Gordon Moore
Co-founder Intel Corp.

摩尔定律指出晶体管的数量每18个月
会翻一番。晶体管的速度也对应地呈
线性增长，那意味着每隔三年晶体管
的速度会翻一番。尽管示波器自推出
以来在其漫长的历程中经历多次变化，
但其仍然是主要的电子研发工具。受
摩尔定律支配，示波器带宽也得每隔
三年翻一番，以便跟上发展步伐。







考察近年实时示波器(区别于等效采样
以及采样示波器)带宽的传统增长,得益
于采用高速设计的前端模拟放大器，
ADC和存储器。不幸的是对示波器制造
商来说，这意味着要重新设计各种ASIC,
成本也随之呈指数级上升。但随着高端
仪器生命周期继续缩短，这些成本将转
嫁到用户身上。

历史上，睿智的公司意识到
这个受摩尔定律驱使的趋势是一个
严重的问题。示波器制造商只能按照冰冷的带宽增长曲线前行。但是纵观历史，许多公司偶然的突破性创新可以改变许多成名的定律。此类例子不胜枚举。比如有名的硬盘和PRML的发明，使得磁盘密度远远超出了权威机构的预测。

在高带宽示波器设计领域，主流的创新方法是利用近20年来工业领域的Interleaving，Interleaving是整合通道资源，换句话说是整合通道数字化仪和存储器，使得示波器拥有非常高的采样率和存储深度。这个创新降低了对单个数字化仪的速度要求，因为单个数字化仪有效采样率远远比标称的要低。Interleaving取得了空前的成功，不需借助带宽，交错的数字化仪由设计成和仪器带宽保持一致的前端放大器驱动。

力科发展了一种新型的Interleaving技术——数字带宽交错或叫DBI，它能像传统技术那样提供类似的增加采样率和存储深度，而且同时可以增加带宽。

而传统的Interleaving需要一定的硬件支持传输信号和时钟去多路径，主要的问题是多路径时序，增益/漂移。
有许多方法可以实现校准，相当复杂的算法可以获得最好的校正。然而实现Interleaving的软件是必须的。


另一方面，数字带宽交错解决了后端额外硬件，校准和数字信号处理，用来恢复用户输入的信号。

简化的DBI硬件原理图如下。首先，输入信号被双工器一分为二。双工器是微波滤波器，用来将输入信号分成
多个频段。在双通道，带宽加倍处理，低频段从双工器直接传送到一个前端放大器。在双工器端和低频段路径
分离的部分被设计成通过一个和前端带宽一致的全频段滤波器。高频段进入一个下变频器。这个下变频器由一
个宽带混合器实现。这个下下变频器将一个预置本地振荡器和输入高频段信号混合并产生两个镜像，一个是
差频而另一个是和频。差频是高频段通过混合器的镜像，但现在它落入一个示波器前端可以处理的频段内。这
样高频段全部转移到低频段内。这和调频收音机的基本原理是一样的。本质上，低频段和高频段被都被示波器
捕获。低频段在原来的位置，而高频段被“移动”到差频的位置。






一旦捕获，每个频段开始信号处理。处理的主要结果是将高频段和一个本地振荡器的数字合成复制品再次混合
以使其频段落入正确的频率位置。它也将数字化消除有混合而带来的新的镜像。最后这两个频段被重新整合成
型为一个波形，这样利用一个示波器通道将采样带宽加倍。

一个关键点是记住采用DBI时每个频段都要落入每个通道可捕获带宽范围内。数字信号处理用来合成波形，但是
它不用来扩展通道带宽。这样就带来了带宽扩展的问题，正如增加的噪音不是由基于DBI的示波器引起的。

DBI技术由两个关键因素推动。首先是近来微波和射频技术的进步。新一代宽带宽放大器，混合器，衰减器，
滤波器等，可保证实时示波器信号输入通道的获得的幅度精度。

第二个推动因素是基于Intel CPU的仪器所带来的DSP运算速度，而不用老是考虑信号处理。奔腾处理器是世界
上最快的浮点运算DSP。

力科利用处理器的强大处理能力，用DSP技术弥补模拟信号路径。最终的挑战来自设计出可用来校准仪器，执行
复杂算法的自动系统。结果是产生令人信服的解决方案。

DBI是突破实时示波器带宽成本，设计代价和IC设计工艺的速度限制，只局限于射频和微波设计技术速度。采用
DBI技术提升了门槛，由于至少三个因素中的一个在将来就继续提升。

DBI是一种会使示波器带宽不断得到提升的创新。未来，力科将会在一开始设计示波器时就引入DBI。以后的实时
示波器将免除用户在决定选择何种仪器时将带宽列为首要考虑的后顾之忧。

引入DBI技术将推动示波器与采用传统技术的仪器相比获得更好的表现。首要考虑的因素是精度和噪音。频率响
应精度和回波损耗，再现串行信号眼图的精度是特别重要的因素。第一代采用DBI设计的仪器已经得到了改善。


The SDA 11000 – LeCroy’s first DBI enabled serial data
analyzer operates at 11 GHz bandwidth and 40 GS/s
sample-rate


Eye pattern from 6 Gb/s PRBS measured with SDA 11000

作者是力科的首席科学家，DBI技术的发明人之一。在力科的十年
职业生涯中，他担任数字信号处理专家，高端示波器产品市场经理。
他拥有Rutgers University的BSEE，同时是Tau Beta Pi, Eta
Kappa Nu and the IEEE communications and signal
processing societies 的成员。另，在测量仪器的数字信号处理领域
拥有几项专利。