描述

多通道高带宽示波器系统及其应用

万力劢limai.wan@teledynelecroy.com

议程

力科LabMaster系列示波器简介为什么需要高带宽、多通道的示波器？如何实现高带宽、多通道？应用案例

LabMaster系列示波器特点

多通道、模块化示波器每个模块含4个通道最多可配置20个模块，即80个通道

高带宽高采样率示波器最高带宽65GHz (13~65GHz )5.5ps上升时间20-80%最高采样率160GS/s

通道间抖动<200fsrms30GHz触发带宽，14.1Gb/s串行触发100fsrms抖动噪底

世界上最快的示波器

LabMaster系列示波器的模块

主控模块

一个4通道采集模块

LabMaster系列示波器的外观

8通道配置

16通道配置

议程

力科LabMaster系列示波器简介为什么需要高带宽、多通道的示波器？如何实现高带宽、多通道？应用案例

示波器应用市场的对仪器带宽和采样率的需求

数据通信领域USB : 12Mbps-480Mbps-5GbpsPCIe: 2.5Gbps - 5Gbps - 8Gbps以太网: 10M-100M-1000M-10G-40G-100G

雷达、航天测控、无线通信等领域需要对射频、中频信号进行宽带采集，并测量时域特性

示波器的带宽须大于比特率的1.8倍示波器的采样率至少为带宽的2倍

示波器应用市场的对仪器带宽和采样率的需求(续)

示波器应用市场的对仪器带宽和采样率的需求(续)

100 GbE中CEI-28G的比特率高达28Gbit/s，测试带宽需要56GHz

示波器应用市场的对仪器带宽和采样率的需求(续)

示波器应用市场的对多通道示波器的需求

串行数据并行化PCIe: x2,x4,x8,x16,x32InfiniBand:x1,x4,x1210GbE、40GbE、100GbE：4 x 3.125G，4 x 10.3125G，10 x 10.3125G，4 x 28G

雷达、无线等领域天线阵列

议程

力科LabMaster系列示波器简介为什么需要高带宽、多通道的示波器？如何实现高带宽、多通道？应用案例

示波器一个采集通道的原理框图

时基

前端信号调理

采样保持，ADC

采样存储器

触发电路

FE/ADC芯片组

10GHz时基时钟

触发控制信号

FE/ADC芯片组

力科成功研发基于8HP锗化硅(SiGe)工艺的芯片组36 GHz芯片级的模拟带宽80 GS/s采样率8HP锗化硅(SiGe)的低噪声芯片带宽增加了一倍,信噪比(SNR)却和原来一样

数字通道复用技术(DBI)

数字通道复用技术(DBI)拓展了芯片级的带宽至65GHz (160 GS/s)专利技术第7代DBI技术，成熟的专利技术

LabMaster通道采集部分实物

8HP SiGe Front End and Track/Hold

80GS/sADCs

512 Mpt/Ch Memory

TriggerCircuit

示波器一个采集通道的原理框图

时基

前端信号调理

采样保持，ADC

采样存储器

触发电路

10GHz时基时钟

触发控制信号

示波器时基电路

参考时钟输入REF IN

内部振荡器

PLL倍频

参考时钟输出REF OUT

LabMaster多通道实现原理–ChannelSync专利技术

主控模块输出10GHz参考时钟，直接送给每个采集模块；

10GHz时基时钟

触发控制信号

主控模块

采集模块

采集模块

主控模块的触发电路直接控制每个采样模块的采集电路；

通道间同步精度高，通道间抖动<200fsrms

时基电路

触发电路

多通道高速采集的传统实现方案–两台示波器同步

多通道高速采集的传统实现方案–多台示波器同步

外部输入共同的参考时钟源

共同的触发信号

示波器1

示波器2

示波器n

多台示波器同步方案的精度分析

参考时钟抖动触发误差通道延迟误差

多台示波器同步方案的时钟分析

……

参考时钟源

需要一个时钟分配网络将参考时钟输出到各个示波器。不好的时钟分配网络会影响到达每台示波器的时钟稳定度

外部输入参考时钟的敏感性

摆率越小，同样程度的噪声引入的抖动越大

幅度噪声可以转换为时间抖动dt=dv÷SlewRate

10MHz时钟比10GHz时钟的摆率小

结论：10MHz参考时钟比10GHz时钟更容易受噪声干扰

摆率

PLL倍频

每台示波器内部都含有一个锁相环，时钟同步需要把外部低频时钟输入到多个PLL

多台示波器同步––触发

……

触发源

触发延迟差异Trigger delayunmatch多个触发电路，各自都有触发抖动

Trigger Jitter

Trigger Jitter

Trigger Jitter

多台示波器同步方案的分析–通道延迟差异

……

信号通过电缆或探头输入到各个通道，信号延迟时间难以做到绝对一致，导致各路信号到达示波器采样电路的时刻不一致；

多台示波器同步方案的分析–校准

多台示波器同步方案中，引起同步误差的因素很多，可分为动态误差和静态误差

静态误差通道延迟差异触发延迟差异

校准的复杂性：1)需要编制特殊的校准程序2)需要组成计算机控制的自动校准系统

动态误差低频参考时钟更容易引入的抖动多个PLL并联导致的时基时钟抖动多个触发电路的触发抖动

小结

议程

力科LabMaster系列示波器简介为什么需要高带宽、多通道的示波器？如何实现高带宽、多通道？应用案例

LabMaster多通道高带宽示波器的应用

1. 40GbE, 100GbE, 32GFC高速串行信号测试

OIF CEI(Common Electrical I/O)

CEI-SR/LR/VSR

CEI-28G-SR电气要求

眼图和抖动测试

LabMaster多通道高带宽示波器的应用

2. 100GbE相干光信号测试

100GbE相干光DP-QPSK

100GbE+光传输信号的主要测量项目

星座图EVM眼图误码率幅度误差相位误差频率误差IQ偏置……

基于LabMaster的光调制分析仪

LabMaster多通道高带宽示波器的应用

3.多路高速串行信号的时序和串扰测试

提高数据吞吐率的趋势：串行数据并行化

移动通信和云计算的高速发展,催生更高数据吞吐率的串行数据标准PCIeGen3, 40/100GbE单通道数据速率高达28Gbps多通道架构-并行化串行传输-传输密度更高，像PCIE3.0,最多可以支持32个通道业已成熟的多种串行数据标准也是多通道LVDS，RapidIO，XAUI…

多路串行数据测试的需求

通道偏斜较大

通道偏斜较小

多路信号同时测量和分析

多路串行链路同时测量和分析

相邻链路之间的串扰分析

LabMaster多通道高带宽示波器的应用

4.多路射频、中频信号的宽带采集和分析

天线阵列

天线阵列技术广泛用于无线通信(MIMO)， 射电天文学，干涉侧向、雷达

阵列系统的多天线单元和多收发通道之间存在差异，回波信号通过各个接收通道的输出后必然存在幅度和相位差。必须对幅度和相位差进行校正

多通道示波器测试天线阵列信号

校准的基本方法是给各天线和接收单元施加同幅同相的激励信号，用LabMaster多通道示波器采集响应信号，然后测量各路信号之间的幅度和相位差

同步采集是关键

观察、测量和信号处理集于一体

多路信号同时显示

相位差测量

调用MATLAB进行分析

总结

力科LabMaster示波器特点高带宽(13GHz～65GHz)高采样率(40GS/s～160GS/s)多通道(4～80 channels)同步精度高(<200fs)应用范围高速串行数据测量快沿激光脉冲测量单路或者多路射频、中频信号的宽带采集