Методы расширения полосы пропускания осциллографов реального времени
За последние десять лет скорость передачи данных в цифровых каналах связи выросла более чем в 10 раз. Ранее широко использовались скорости 1 Гбит/с, а теперь повсеместное распространение получают каналы со скоростью более 10 Гбит/с. Оптические линии связи работают сейчас на скоростях 100 Гбит/с и выше. РЧ широкополосные каналы связи работают в настоящее время в диапазонах выше 20 ГГц, при этом радиосвязь и оптические линии передачи используют сложные схемы модуляции и малые амплитуды сигналов для достижения требуемой ёмкости каналов и удовлетворения требований нормативных документов.
Это порождает потребность в широкополосных осциллографах реального времени для проверки, сертификации и отладки таких новых систем. В результате разработчики осциллографов вынуждены расширять полосу пропускания осциллографов реального времени до 60-70 ГГц и более.
В настоящей статье сравниваются различные методы расширения полосы пропускания осциллографов реального времени.
Обычный входной канал с АЦП
Обычный входной канал цифрового осциллографа реального времени использует аналоговый входной интерфейс, состоящий из предусилителя, аттенюатора и схемы выборки и хранения для фиксации амплитуды сигнала на время выборки. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) используется для последовательного преобразования уровней напряжения, поступающих со схемы выборки и хранения, в поток числовых значений (рис. 1).
Рис. 1 Обычный входной канал с АЦП
1. Реле и аттенюатор
2. Предусилитель
3. Схема выборки и хранения
4. АЦП
5. Память
6. К системе запуска
7. Тактовая частота
Если предположить, что аналоговый интерфейс обеспечивает полную полосу пропускания канала, то основным ограничивающим фактором становится частота дискретизации АЦП. Из теоремы Котельникова следует, что для точного представления всех составляющих сигнала в пределах необходимого диапазона частот, частота дискретизации должна не менее чем в два раза превышать максимальную частоту сигнала. Например, для канала с полосой пропускания 25 ГГц потребуется частота дискретизации не менее 50 Гвыб./с. С ростом требований к полосе пропускания становится всё труднее найти АЦП, отвечающий требованиям теоремы Котельникова.
Здесь уместно было бы обсудить шум обычного входного канала с АЦП, поскольку это станет основой дальнейших рассуждений относительно шума канала, связанного с методами улучшения характеристик АЦП. На рис.2 показана спектральная плотность мощности белого шума.
Рис. 2 Спектральная плотность мощности белого шума
1. Полоса пропускания №1 согласно теореме Котельникова 25 ГГц (50 Гвыб./с)
2. Фильтр, ограничивающий полосу пропускания осциллографа (например, 23 ГГц)
3. Шум
4. Частота
5. Спектральная плотность мощности
Поскольку белый шум по определению содержит все частоты, спектральная плотность мощности равномерно распределена в полосе Котельникова. Для канала с частотой дискретизации 50 Гвыб./с, полоса пропускания согласно теореме Котельникова равна 25 ГГц.
Некоторое подавление шума, заметное на рис. 2, связано с фильтром, ограничивающим полосу пропускания осциллографа (так называемый фильтр защиты от наложения спектров), который подавляет шум, расположенный между частотой среза фильтра и частотой Котельникова для данного канала.
Каналы с временным уплотнением
Если частота дискретизации имеющихся АЦП недостаточна для удовлетворения требований к полосе пропускания, то приходится искать другие способы использования доступной элементной базы для соответствия таким жестким условиям или создавать АЦП нового поколения. Распространённым методом расширения возможностей имеющихся компонентов является временное уплотнение. В этом случае аналоговый интерфейс проектируется так, чтобы пропускать всю полосу сигнала, а дальше используются два параллельно включенных АЦП. Каждый АЦП должен поддерживать частоту дискретизации, равную, как минимум, половине частоты, необходимой для удовлетворения критерия Котельникова. Например, если аналоговый интерфейс обеспечивает полосу пропускания до 45 ГГц, то для достижения частоты дискретизации 100 Гвыб./с можно использовать чередование двух АЦП с частотой дискретизации 50 Гвыб./с (рис. 3).
В этом случае тактовые частоты АЦП должны быть сдвинуты по фазе на 180°. Данные сохраняются в памяти, включенной после каждого АЦП, и по завершении захвата можно реконструировать полный сигнал с частотой дискретизации 100 Гвыб./с путём чередования полученных данных (что иногда называется демультиплексированием). Следует отметить, что никаких ограничений на число чередующихся АЦП не накладывается, хотя с ростом числа АЦП их становится сложнее синхронизировать. Метод временного уплотнения для достижения гигагерцового диапазона используется всеми ведущими производителями осциллографов.
Рис. 3 АЦП с временным уплотнением
1. Реле и аттенюатор
2. Предусилитель
3. К системе запуска
4. Выборка и хранение
5. Тактовая частота
6. АЦП
7. Память
Важно отметить, что с ростом частоты дискретизации белый шум равномерно распределяется по новой полосе Котельникова. В примере, показанном на рис. 4, частота дискретизации возрастает с 50 до 100 Гвыб./с, в результате чего полоса Котельникова расширяется с 25 до 50 ГГц. Если шумовые характеристики обоих чередующихся каналов одинаковы, то плотность мощности шума уменьшается вдвое и равномерно распределяется в пределах новой полосы Котельникова. Конечно, целью временного уплотнения в нашем случае является расширение полосы пропускания системы за счёт расширения полосы входного аналогового интерфейса и повышения частоты дискретизации, но следует отметить, что если полоса остаётся той же, что описана в начале (используется тот же фильтр для ограничения полосы пропускания осциллографа), то общий эффект заключается в снижении уровня шума.
Практическая реализация этого метода демонстрирует снижение шума на 15 - 20 %.
Рис. 4 Расширение полосы Котельникова в результате временного уплотнения
1. Спектральная плотность мощности
2. Полоса пропускания №1 согласно теореме Котельникова 25 ГГц (50 Гвыб./с)
3. Полоса пропускания №2 согласно теореме Котельникова 50 ГГц (100 Гвыб./с)
4. Фильтр, ограничивающий полосу пропускания осциллографа (например, 23 ГГц)
5. Шум
6. Частота