La larghezza di banda aumenta con il DBI

OSCILLOSCOPI –

Seguendo la legge di Moore gli oscilloscopi dovrebbero raddoppiare ogni tre anni la larghezza di banda disponibile. Una tecnica di interleaving sviluppata da LeCroy consente di aumentare la larghezza di banda.

La legge empirica di Moore afferma che la densità dei transistor raddoppia ogni 18 mesi. Dato che la velocità dei transistor è grosso modo proporzionale alla densità lineare, ciò implica che la velocità dei transistor raddoppia ogni tre anni. Poiché l'oscilloscopio, seppur sottoposto a molti cambiamenti nel corso della sua lunga storia, è ancora il principale strumento utilizzato per lo sviluppo di dispositivi elettronici, la legge di Moore vuole che la larghezza di banda disponibile nell'oscilloscopio debba anch'essa raddoppiare ogni tre anni, al fine di tenere il passo. Per quanto riguarda gli oscilloscopi in tempo reale (gli oscilloscopi a tempo equivalente, o “sampling” seguono regole diverse), la larghezza di banda aumenta successivamente poiché tradizionalmente dipende dall'utilizzo di processi a più alta velocità per la progettazione e sviluppo del front end dell'oscilloscopio, degli Adc e delle memorie. Purtroppo per i produttori di oscilloscopi, questo comporta la riprogettazione dei vari circuiti integrati custom, con costi che aumentano a un tasso esponenziale. Poiché il ciclo di vita di questi strumenti ad alte prestazioni continua a ridursi, questi costi sono trasferiti agli utilizzatori degli oscilloscopi Storicamente, le aziende si sono rese conto che il trend dettato dalla legge di Moore amplifica il problema. I produttori di oscilloscopi continuano a seguire la curva inesorabile di aumento della larghezza di banda, pagandone lo scotto. Ma nel corso della storia, le aziende hanno talvolta trovato innovazioni rivoluzionarie che hanno cambiato le regole. Ci sono molti esempi di tali prodezze. Forse uno dei migliori esempi si trova esaminando la storia del disco rigido e l'invenzione della PRML, che permise di raggiungere densità di gran lunga superiori rispetto a quelle previste dalle regole del sistema.

L'innovazione dell'interleaving
Nel settore della progettazione di oscilloscopi ad elevata larghezza di banda, la grande innovazione che ha portato avanti il settore negli ultimi due decenni è quello dell'interleaving. Interleaving è la combinazione delle risorse dei canali, vale a dire i campionatori e le memorie, per creare oscilloscopi con frequenze di campionamento e profondità di memoria molto elevate. Questa innovazione riduce i vincoli sui passo di campionamento dei singoli campionatori, che è ben al di sotto dell'effettivo passo di campionamento raggiunto. La tecnica di Interleaving tradizionale, pur avendo avuto molto successo, non ha potuto influire sulla larghezza di banda, in quanto i digitalizzatori Interleaved sono legati a un amplificatore di front-end, che deve essere progettato per sostenere la larghezza di banda finale dello strumento. LeCroy ha sviluppato una nuova tecnica di interleaving chiamata Dbi (Digital Bandwidth Interleave) che offre gli stessi vantaggi della tecnica tradizionale per la frequenza di campionamento e per la profondità di memoria e inoltre permette di aumentare la larghezza di banda. Poiché l'interleaving tradizionale ha il requisito hardware fondamentale di fornire segnali e clock a dei percorsi multipli, la sfida principale è la taratura dei tempi e dei guadagno / offset dei percorsi multipli. Ci sono molti modi per realizzare queste tarature e gli algoritmi per ottenere la migliori correzioni possono essere molto complessi. Tuttavia il software che realizza l'interleave è fondamentalmente semplice. Il Digital Bandwidth Interleave, d'altra parte, necessita di hardware aggiuntivo a comporta la calibratura e l'elaborazione digitale del segnale a livello di back-end, per permettere all'utente dell'oscilloscopio di recuperare il segnale d'ingresso. Fondamentalmente, il segnale in ingresso è diviso con un diplexer. Un diplexer è un filtro a microonde progettato per dividere i segnali in entrata in più bande di frequenza. Nel caso di due canali, raddoppio della larghezza di banda, la banda a bassa frequenza viene inviata direttamente dal diplexer in un singolo ingresso. La frequenza di taglio relativa al percorso a bassa frequenza dal diplexer è stato progettato per permettere il passaggio dell'intera banda di frequenza che soddisfa le capacità di larghezza di banda del front-end oscilloscopio. La banda ad alta frequenza entra in un downconverter. Il downconverter è realizzato utilizzando un mixer a banda larga. Il downconverter utilizza un oscillatore locale predeterminato e produce due immagini del segnale ad alta frequenza di ingresso - uno alla frequenza differenza e l'altro alla frequenza somma. Lo spettro creato con la differenza è l'immagine del segnale ad alta frequenza passato nel mixer, ma è ora all'interno di una banda che può essere gestita dal front-end dell'oscilloscopio. Pertanto, la banda ad alta frequenza, è stata spostata nella sua interezza a una banda di frequenze più basse. Questo processo utilizza lo stesso concetto di base di un ricevitore radio. In sostanza, entrambe le bande a bassa e alta frequenza sono acquisite dall'oscilloscopio, con la parte a bassa frequenza nella sua posizione originale e quella ad alta frequenza "spostata" in una diversa (inferiore) posizione.

La trasformazione del segnale
Lo scopo principale della trasformazione è quello di utilizzare una copia digitale dell'oscillatore locale con la parte del segnale relativo alla banda ad alta frequenza, per spostare la banda nella posizione di frequenza corretta. Inoltre elimina digitalmente la nuova immagine creata con l'azione del mixer. Infine, le due bande sono ricombinate formando un segnale che ha quasi il doppio della larghezza di banda di un segnale acquisito utilizzando un singolo canale.Un punto fondamentale da ricordare sul Dbi è che ogni banda di frequenza sta entro la capacità di larghezza di banda del canale che la acquisisce. L'elaborazione digitale del segnale viene utilizzata per ricombinare le forme d'onda, ma non viene utilizzata per "estendere" la larghezza di banda di un canale. Così i problemi interconnessi con l'estensione di banda, come il rumore maggiore, non vengono introdotti in un oscilloscopio Dbi. La tecnologia Dbi è resa possibile da due elementi chiave: il primo è dovuto ai recenti miglioramenti nelle prestazioni delle tecnologie microonde e RF. Una nuova generazione di amplificatori a larga banda, mixer, attenuatori, filtri, ecc può raggiungere le precisioni di ampiezza richieste per l'impiego nel percorso del segnale all'ingresso di un oscilloscopio in tempo reale. Il secondo elemento è la velocità di elaborazione del segnale digitale.

Una sfida nell'elaborazione
Con la potenza di elaborazione a disposizione, LeCroy padroneggia nelle tecniche digitali di elaborazione del segnale per la compensazione dei percorsi del segnale analogico. La sfida finale è stata la concezione e l'attuazione delle complesse procedure utilizzate nei sistemi di test automatizzati che calibrano lo strumento. Il risultato è una soluzione che opera con prestazioni incredibili. Dbi è una tecnologia che sposta le limitazioni sulla larghezza di banda dell'oscilloscopio in tempo reale per quanto riguarda il costo, lo sforzo di progettazione e velocità nei processi disponibili per la progettazione di circuiti integrati, sulle limitazioni imposte dalle velocità di progettazione relative alle tecnologie RF e microonde. Applicato oggi, Dbi alza il limite di almeno un fattore di tre e continuerà ad aumentarlo in futuro. In quanto tale, Dbi è un'innovazione che realizza una discontinuità nella curva di aumento della larghezza di banda dell'oscilloscopio. In futuro, LeCroy presenterà oscilloscopi con la tecnologia Dbi integrata fin dall'inizio del ciclo di progettazione. Gli oscilloscopi in tempo reale del futuro consentiranno all'utente di non considerare la larghezza di banda come una caratteristica primaria, quando vorrà stabilire quali tipo di strumento di misurazione possa soddisfare ai propri bisogni.

Parametri migliorati
L'oscilloscopio dotato di tecnologia Dbi opera allo stesso modo di uno strumento realizzato con tecnologia tradizionale. Parametri quali l'accuratezza e il rumore sono essenzialmente gli stessi. Accuratezza di risposta in frequenza e Return Loss, parametri di particolare importanza per la precisione nella riproduzione dei diagrammi ad occhio dei segnali di dati seriali, sono effettivamente migliorati dal primo strumento progettato con Dbi. La nuova serie WaveMaster 8Zi ha un eccellente isolamento canale-canale fino alla larghezza di banda massima di 30 GHz (da DC a 10 GHz: 50 dB (> 315:1); da 10 a 15 GHz: 46 dB (> 200:1); da 15 a 16 GHz: 40 dB (> 100:1), da 16 GHz a Max BW: 30 dB (> 32:1)). Inoltre il Jitter Noise Floor è di riferimento, soprattutto per acquisizioni lunghe (200 fsrms).Utilizzando tecnologie RF e microonde ad alte prestazioni, unitamente a processori ad alta velocità ed elaborazioni digitali del segnale, LeCroy gestisce in modo intelligente i componenti analogici ad alta velocità comodamente all'interno della loro banda nominale di frequenza, mentre fornisce su due canali il doppio della larghezza di banda dei quattro canali. Questo approccio offre fedeltà del segnale migliore rispetto allo "stretching" dei componenti per andare oltre alla loro larghezza di banda nominale.

  • I requisiti di larghezza di banda sono stati imposti dall'aumentare dei Transfer Rate (e dai ridotti tempi di salita)
  • Le prestazioni dell'hardware dell'oscilloscopio (amplificatori e convertitori A / D) sono imposte dalla tecnologia attuale
  • L'hardware di nuova generazione deve essere misurato con la tecnologia di attuale generazione
  • La larghezza di banda dell'oscilloscopio è legata alla "legge di Moore", che prevede un raddoppio ogni 3 anni
  • L'estensione della larghezza di banda con DSP non può tenere il passo con le necessità di banda effettive e ha prestazioni limitate
  • La tecnologia Digital Bandwidth Interleaving permette il raddoppio delle attuali prestazioni consentendo di effettuare misurazioni sulla prossima generazione di hardware
  • LeCroy Dbi è il modo migliore per raggiungere un'elevata larghezza di banda mantenendo una adeguata fedeltà del segnale

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