Технология DBI (цифровое чередование полос пропускания)

SDA11000 - первый цифровой осциллограф (анализатор потоков последовательной предачи данных) созданных на технологии DBI, позволяет работать с полосой частот до 11 ГГц и экв. дискретизацией 40 Гвыб./с

Автор Питер Дж. Пупалайкис (Peter J. Pupalaikis) Перевод с англ. коллектив АО «ПриСТ» Оригинал статьи в формате .PDF (eng.) «Плотность транзисторов на микросхеме удваивается каждые 18 месяцев» Гордон Мур (сооснователь корпорации Intel)

Рисунок 1. Закон Мура в переложении на цифровую осциллографию

Эмпирический закон Мура говорит, что плотность транзисторов удваивается каждые 18 месяцев #1 class=l>1. Так как скорость транзисторов практически прямо пропорциональна плотности их размещения, то это значит, что скорость транзисторов должна возрастать каждые 3 года. Переформулируя этот закон для осциллографов, которые прошли множество изменений за свою историю, но до сих пор остаются основным инструментом для разработки электронной аппаратуры, их доступная полоса пропускания также должна удваиваться каждые 3 года.

Рассматривая осциллографы реального времени (стробоскопические осциллографы имеют другие правила), увеличение полосы последних традиционно происходит через использование высокоскоростных процессов при разработке и конструировании входных усилителей, АЦП и памяти осциллографов. К сожалению, для производителей осциллографов, это означает постоянную переделку большинства внутренних цепей осциллографов, при этом стоимость приборов возрастает по экспоненте #2 class=l>2. Так как жизненный цикл таких высокопроизводительных инструментов постоянно уменьшается, то эти расходы ложатся на пользователей осциллографов.

Компании понимают, что следование зависимости, диктуемой законом Мура, только сохранит проблему. Производители осциллографов, продолжающие следовать по пути прямого увеличения полосы пропускания, будут сталкиваться с минусами такого подхода. Но есть случаи, когда компании находили возможность совершать инновационный прорыв, изменяющий установленные правила. Существует множество таких примеров. Возможно, один из лучших примеров – это введение технологии PRML при производстве жестких дисков, которая позволила увеличить плотность записи до значений, далеко превышающих предсказанные зависимости #3 class=l>3.

В области высокочастотных осциллографов основной новацией, используемой в индустрии последние два десятилетия, является чередование. Чередование – это комбинация ресурсов нескольких каналов: АЦП и памяти, для производства осциллографов с высокой скоростью дискретизации и большой памятью. Этот прием позволяет индивидуальному АЦП работать на скоростях значительно ниже, чем достижимая эффективная частота дискретизации. В тоже время, чередование, являясь очень успешным, не затрагивает полосу пропускания. Так как чередующиеся АЦП работают после входного усилителя, который должен быть разработан для обеспечения входной полосы пропускания осциллографа.

LeCroy разработал новую технологию чередования, которая называется DBI и предлагает те же преимущества, что и традиционная технология (увеличение частоты дискретизации и длины памяти), ни и позволяет также успешно увеличивать полосу пропускания.

Рисунок 2. Традиционная топология чередования

Традиционное чередование предъявляет ограниченные аппаратные требования по разделению исследуемого сигнала на несколько путей прохождения, главной проблемой является калибровка временных и амплитудных параметров различных путей прохождения сигнала. Есть много способов проведения такой калибровки и алгоритмы для получения наилучшей коррекции могут быть достаточно сложными. Тем не менее, программное обеспечение для осуществления чередования в основном не сложное.

С другой стороны DBI требует дополнительных аппаратных, калибровочных и программных процессов для отображения исследуемого сигнала.

Рисунок 3. Топология DBI

Простейшая диаграмма аппаратной топологии DBI показана на рис. 3. Входной сигнал разделяется в диплексоре. Диплексор является СВЧ-фильтром, разработанным для разделения входного сигнала на несколько частотных полос. В случае двух каналов, полная полоса пропускания разделяется на две подполосы. Нижняя частотная полоса с выхода диплекусора непосредственно подается на вход усилителя осциллографа. Частота среза фильтра для нижней полосы частот с выхода диплексора выбрана так, чтобы пропускать диапазон частот, соответствующий возможностям входного усилителя осциллографа. Верхняя полоса частот подается на преобразователь частоты. Переносчик частоты реализован на базе широкополосного смесителя. Переносчик частоты смешивает заранее определенный сигнал гетеродина с верхней полосой частот входного сигнала и производит две частотные компоненты - одну, соответствующую разности частот сигнала и гетеродина, и вторую, соответствующую сумме. Разностный сигнал является образом верхней полосы частот исследуемого сигнала, прошедшей через смеситель, но теперь в диапазоне частот, который может быть непосредственно подан на входной усилитель осциллографа. Следовательно, верхняя полоса частот целиком сдвигается в нижнюю полосу частот. При этом используется такая же концепция как в радиоприемнике. По существу, обе частотные полосы сигнал (верхняя и нижняя) захватываются осциллографом: нижняя полоса с ее оригинальным расположением в диапазоне частот и верхняя полоса, «передвинутая» в другую (нижнюю) область частот.

После захвата АЦП осциллографа, каждая полоса проходит цифровую обработку. Главный эффект этого процесса – это восстановление верхней полосы частот с помощью цифровым образом синтезированной копией сигнала гетеродина для передвижения полосы в корректный диапазон частот. Также цифровым образом устраняются дополнительные частотные компоненты, появившиеся на выходе смесителя. На заключительном этапе двк полосы рекомбинируются для формирования записи, которая имеет почти в два раза большую полосу частот по сравнению с записью, созданной одним каналом осциллографа.

Ключевым моментом в технологии DBI является то, что каждая полоса частот соответствует полосе пропускания канала, который производит сбор информации о сигнале. Цифровая обработка сигнала используется для рекомбинации сигнала, но не используется для «расширения» полосы пропускания канала (цифрового). Таким образом, проблемы, связанные с расширением полосы пропускания, такие как увеличение шумов, не касаются осциллографов с технологией DBI.

Технология DBI осуществима с помощью двух ключевых элементов. Первый - недавние улучшения в характеристиках ВЧ и СВЧ технологий. Новое поколение широкополосных усилителей, смесителей, аттенюаторов, фильтров и т.д., позволяют достичь погрешности по амплитуде, требуемой для использования в схемах прохождения сигнала в осциллографах реального времени.

Второй – скорость цифровой обработки сигнала с помощью приборов на основе процессоров Intel Pentium . Хотя нет четких критериев по определению “сигнального процессора”, сейчас Pentium – быстрейший в мире процессор для цифровой обработки сигналов с плавающей точкой #4 class=l>4. С достижимой мощностью процессора LeCroy создал технику по цифровой обработке сигнала для компенсации искажений в аналоговых путях.

Последней задачей была разработка и внедрение сложных процедур для использования в автоматизированной тестовой системе, которая калибрует осциллографы. Результатом всего явилось решение, обладающее невероятными характеристиками.

DBI – это технология, которая сдвигает ограничения на полосу пропускания осциллографов реального времени от дорогих, сложных в разработке и ограниченных по скорости цифровых микросхем к ограничениям, диктуемым скоростью ВЧ и СВЧ технологий. На сегодняшний день, DBI поднимает планку минимум в 3 раза и будет постоянно увеличивать это значение в будущем.

Таким образом, новация DBI предлагает разрыв в привычной зависимости увеличения полосы пропускания осциллографов во времени. В будущем LeCroy будет производить осциллографы с DBI, заложенной в приборы на начальной стадии разработки. Будущие осциллографы реального времени будут давать пользователю возможность исключить полосу пропускания в качестве первичного критерия при определении типа инструментов, необходимого для требуемых измерительных задач.

Использование DBI дает возможность осциллографам работать также как и осциллографам на основе традиционных технологий. Такие параметры как погрешности и шумовые характеристики у осциллографов с DBI практически те же, что и у традиционных приборов. При этом параметры, особенно важные для точного воспроизведения глазковых диаграмм сигналов последовательной передачи данных (неравномерность АЧХ и обратные потери), значительно улучшены в первом осциллографе с технологией DBI.

Рисунок 4. Глазковая диаграмма 6 Гбит/с псевдослучайной двоичной последовательности измеренной с помощью SDA 11000 ( щелчок по изображению - увеличение)

Литература:

1. Gordon E. Moore, “Cramming more components onto integrated circuits”, Electronics, Volume 38, Number 8, April 19, 1965
2. Simon Young, “The Risk/Reward Realities of Chip Development”, TechOnLine Publication, Nov. 7, 2002
3. Clayton M. Christensen, “The Innovator’s Dilemma”,Harvard Business School Press, 1997
4. BDTImark2000TM Scores, Berkeley Design Technology, Inc., June 2001

 

Автор:  Питер Дж. Пупалайкис (Peter J. Pupalaikis) ; перевод с англ. коллектив АО «ПриСТ»
Дата публикации:  03.11.2005