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萧瑟秋风今又是，换了人间

在2003年全球销售扭亏为赢之后,2004年测量仪器业纷纷推出性能指标更高的产品,争取在市场中占有更大的份额。泰克公司三月份推出TDS6000B宽带数字存储示波器,带宽达到8GHz,继续保有世界最高指标的桂冠,同时宣布还有配套使用的PT80SMA带宽的8GHz差分探头,泰克在2000年初发布使用SiGe材料和工艺解决宽带数字示波器前端电路(即输入宽带放大器,信号取样保持电路)、探头跟随器等高速模拟电路,使TDS7000系列的带宽突破4GHz大关,在业界遥遥领先。从2000年至今,泰克平均以每年提高1GHz带宽的步伐前进,现在按带宽排序,分别由泰克居首位(8GHz),安捷伦公司第二(7GHz),力科公司第三(6GHz)构成业界三强。
测量仪器业的示波器类,频谱分析仪类,网络分析仪类,加上信号发生器类构成四大支柱,它们代表时域、频域,阻抗域和激励源,四类产品的销售额占全业界总销售额的70%以上。市场营销经验表明,某一行业只有一家独大,并不利于发展,由于没有对手而停滞不前,反之强者如林同样不利,过度竞争使力量削弱;三家鼎立的局面比较稳定,互相扬长避短,在其它业界亦有类似经验。

用萧瑟秋风今又是，换了人间这句词来形容当前形势，再恰当不过。经济的严峻毋庸多言，消息也尽是每况愈下。可就在这样的氛围中，示波器并没有裹足不前，反而是大踏步前进。新年伊始，LeCroy就率先发布了Wavmaster 8Zi，高达30G的带宽，80G的采样率，500Mpts的可分析存储深度无一不刷新了相关记录，而且也使其在业界遥遥领先。对LeCroy来说太需要这样的利好消息啦。目前的带宽排名发生了很大的变化。
1. LeCroy 30GHz（16GHz及以下是传统方法，16G~30G是DBI）
2. Tektronix 20GHz（16GHz及以下是硬件带宽，20G是DSP boost)
3. Agilent 13GHz
但是无论这个排名如何变化，传统的三强还是遥遥领先于其它对手，跟的最近的yokogawa的带宽也不过1.5GHz。值得注意的是这个性能上的排名跟市场排名相去甚远。

SiGe材料和工艺的突破

　　在1990年代逻辑电路IC已全部采用Si材料的CMOS工艺,直至今天,IC的线宽从1.0mm缩小到0.09mm,而且还在缩小,在另一方面,射频电路IC在2GHz以下以Si材料为主,在2GHz以上以GaAs材料为主。但是,需要射频和逻辑IC在一起时,GaAs与Si不能兼容,不能实现在同一块衬底上。在今天高度竞争的电子市场中,特别是高级测量仪器,需要有模似、数字相结合的专用IC。数字存储示波器就是典型实例,它的前端电路使用截止频率50GHz的模拟电路,它的快速模拟数字转换使用取样频率超过5GHz,依靠Si的CMOS工艺遇到实际困难。泰克公司为在示波器业保持领先地位,必须在高频高速IC方面有所突破。在找寻合适的合作者方面,泰克公司经过筛选,认为IBM公司的SiGe(硅锗)技术最具潜力,SiGe既有很高射频特性,而且可与CMOS工艺兼容,亦即著名的Bi-CMOS工艺,有望实现测量仪器领先电子产品主流技术的可能。泰克与IBM的强强联合,各自发挥核心技术和专长,为新产品的开发创造了一种高效的合作环境,终于开发出实时带宽4GHz的TDS7000系列数字荧光示波器。
　　IBM公司作为电脑业的巨头,拥有强大的半导体材料和器件实验室,一个材料研究组当时正在开发SiGe材料和工艺,同样物色在高频高速IC方面的应用,以便证明SiGe的商业价值。IBM不准备出售此项技术,而是找寻在通信、信息技术、测量仪器的强有力的合作者,泰克公司为创造新一代数字测量仪器的需求正好与IBM的想法不谋而合。泰克公司为此投入几千万美元的资金,对SiGe工艺寄以厚望,眼光非常独到。两家各有特点的高科技公司的结盟,使一种新IC工艺与一种领先的数字示波器开发得到密切结合,为测量仪器市场带来新的推动力。
力科公司同样紧跟泰克之后,找到其它SiGe材料和工艺制造厂,为它的最高档数字存储示波器WaveMaster系列生产前端宽带电路,在2002年推出带宽6GHz的数字示波器,力科的前端宽带电路包括前端放大器、A/D转换器,触发器和探头电路。因此,力科借助SiGe技术迅速赶上泰克公司的TDS6000系列,成为第二家可供应带宽6GHz的示波器供应商。

LeCroy 在今年推出的高达30GHz带宽的WaveMaster 8Zi同样采用了IBM的SiGe 7HP工艺。由于同时采用了7HP工艺，使得两家的示波器在某些方面有一定的相似性，比如触发系统。WaveMaster 8Zi的边沿触发带宽为15GHz，而DPO70000的变压触发带宽为11GHz。DPO70000的pinpoint两级触发系统号称有1400多种触发组合，而Wavemaster 8Zi的cascade 4级触发系统则号称有2500多种触发组合。在探头反面，Tektronix提供了20GHz的P7500探头，而LeCroy则提供了18GHz的差分探头。

安捷伦公司拥有强大的测量仪器部门和半导体部门,射频和微波测量仪器是业界的老大,数字存储示波器也是它的强项。射频和光电半导体器件更具有影响,它在Si、GaAs、InP材料,以及在MOS场效应器件,异质结双极晶体管、E-PHEMT(加强型膺晶电子迁移率晶体管)方面都有一流的水平。因此,安捷伦公司虽然没有使用SiGe技术,同样在2002年底将它的Infiniium高档数字存储示波器的带宽推高至6GHz,这样一来,出现示波器业界前所未有的盛况,在同一年度内三家公司的数字存储示波器都攀登到带宽6GHz的高度,打破多年来泰克公司往往以相当距离领先对手的局面。

Agilent在射频器件方面的表现仍然非常抢眼，虽然现在以Avogo的名义剥离出去了，但其在射频方面的优势仍然被保留。由于示波器进入数GHz——传统的射频频段，Agilent携其在射频器件和测量仪器方面的深厚积累，可以说比其它2个竞争者在一定程度上占优。2004年10月更是抢先发布了业界超过10GHz的DSO80000，虽然这部仪器由于设计上的硬伤为人所诟病，但也表明了Agilent进军高端的决心和能力。目前为止三家示波器全部齐头并经到10GHz以上。要知道10GHz带宽的示波器价格不菲，而且重点应用都落在了高速串行协议的调试和一致性测试上。

泰克公司的高档数字宽度示波器系列

至今,时间进入2004年下半年,纵观示波器供应商的三强中,各自取得不同的成绩。泰克继续领先对手,在2003年将TDS7000系列升级为TDS7000B系列,带宽从6GHz增加到7GHz,又在2004年将TDS6000系列升级为TDS6000B系列,带宽从6GHz升到8GHz。应该指出,TDS6000B和TDS7000B两系列的最高取样率仍然是20GHz/s,亦即没有改善前端电路来取得的,显然是由于SiGe技术的贡献。泰克的高档数字示波器几种系列的主要特性如表1所示。

　　泰克的高档数字示波器按特点分为三大系列,TDS6000B着重实时带宽,具有强大的数字信号处理能力,最高性能的TDS6804B的实时带宽达到8GHz(相当于上升时间35ps)。与原来的TDS6000系列相比,除增加带宽之外,波形存储容量也从128KB增加到32MB,这对于捕捉单次波形非常有效,但是取样率仍然只有最高20GS/s。TDS6000B系列的触发能力也得到加强,它的Pinpoint(尖端)触发技术保证触发抖动低于1.5ps,可捕捉宽度小于200ps的偶发现象,在最高取样率下记录窗口达到1.6ms,为了配合TDS6000B系列的8GHz带宽,泰克还推出业界较高带宽的差分输入插头P7380SMA,它的带宽同样是8GHz,并且在2004年底前再提供其它带宽8GHz的有源插头,使TDS6000B系列数字存储示波器成为完整的宽带测量系统。
　　总的来说,TDS6000B比原来的TDS6000有很多改进,表现为带宽、存储容量、处理能力、触发功能的提高,前端电路和触发电路由于采用SiGe技术,后端电路由于采用高速微处理器和高速信号处理器而得到加强,使TDS6000B以全新面目出现,从而能够在高档数字存储示波器中继续领先。
　　TDS6000B系列属于标准的DSO类型,即数字存储示波器结构,从电路特点来看,DSO结构是快速A/D转换,快速波形样点存储、慢速D/A波形的复现和显示。例如TDS6000B的最快扫描速度是25ps/格,总扫描窗口是25ps×10格=0.25mS,但是后端电路处理时间一般需要250mS,亦即在最快扫描速度下,取样窗口显示处理时间之比大约是1千倍,换句话说,DSO类型数字存储示波器的波形更新率很低,在上例中只有4000次/秒。如果需要获得模拟示波器那样的三维荧光效应和10万次/秒的波形更新率,用户可选择TDS7000B系列的数字荧光示波器。
　　TDS7000B系列的最高带宽是7GHz,采用DPO/DPX技术后,波形更新率达到40万次/秒,同时具有模拟示波器那样的波形辉度效应,因而,TDS7000B系列适合在高频高速信号观察、除错,毛刺和偶发脉冲捕捉的应用场合,它比TDS6000B系列更为通用。为了扩大TDS7000B的应用范围,泰克推出CSA7000B系列通信信号分析仪,在保留TDS7000B特点的基础上,加强针对各种国际通信标准的测量应用软件,包括眼图模板、抖动分布、协议测试、位误码率等。
　　TDS8000B系列是顺序取样的数字示波器,具有70GHz以上的等效带宽,具体带宽由选用的取样门插件而定。它的取样率很低,只有200KS/s,但取样脉宽很窄,频谱很宽,达到70GHz以上,输入信号经桥式线性取样门由取样脉冲选通后,再作数字处理。因此TDS8000B具有很高垂直灵敏度和极低的时间抖动,指标分别是<1mV和<0.2ps,对被测信号提供良好保真度。特别在测量串行数据时能够复原单端和差分输入信号的时钟脉冲,它是覆盖50Mb/s至12.6Gb/s串行数据的传输性能的精确分析工具。以TDS8000B为基础的CSA8000B系列是通信信号分析仪,由于增添激光光源和光电取样插件,可观察到上升时间5ps的电学或光学脉冲,对光纤通信电路和传输系统的测量,CSA8000B是目前业界指标最高的波形观察工具。

业界三强各有千秋

　　安捷伦公司的Infiniium族数字存储示波器覆盖1GHz~7GHz的带宽,各种探头的最高带宽达到8GHz,取样数字示波器的带宽等效是70GHz。虽然产品型号没有泰克公司的相应型号多,但是安捷伦作为最具规模的仪器巨头,数字存储示波器仍然是拳头产品,并且是泰克的主要竞争对手之一。例如54850系列的带宽在2004年5月从原来6GHz再提高到7GHz,表明该系列还有提高特性的潜力。为了保持测量仪器业界的领先和射频微波仪器的配套性,安捷伦今后对数字存储示波器还会有更多的投入,有技术水平更高的产品推出。
力科公司作为专门的数字示波器供应商,显然以赶超泰克公司为目标,以便在全球示波器市场中占有更大的份额。它的WaveMaster8000A系列档次最高,带宽6GHz和取样率20GS/s;中档有WavePro7000系列,带宽1~3GHz和取样率10~20GS/s;普及型有WaveRunner系列,带宽350MHz~2GHz和取样率2.5~5.0GS/s。还有专用于通信测量的数字信号分析仪DSA系列,各种测量软件,无、有源、差分探头等配套产品等。除了不生产取样数字示波器之外,大部分泰克的数字存储示波器均可在力科的不同系列中找到相应产品。另外,值得一提的是,力科还生产一种称为“单芯片数字存储示波器”的SDC集成电路,带宽1GHz和取样率5GS/s,利用这种芯片生产PXI总线的数字存储示波器模块,填补了泰克和安捷伦两大公司停产VXI模块后,业界缺少示波器模块的空档。同时力科还采取与其它数字存储示波器公司不同的策略,向用户供应这种芯片,便于不同的用户构建专用的嵌入式数字示波器或者生产通用的模块式数字示波器。由于高档数字存储示波器的关键电路全面采用SiGe技术,力科在2002年一举使带宽达到6GHz和取样率20GS/s,它的WaveMaster8000A系列,2003年和2004年的带宽分别增加到7GHz之后,泰克公司才重新在高档数字存储示波器指标方面领先于对手。

事实上LeCroy推出SDA 100G取样示波器，不光将业界记录提升到100GHz带宽，更将取样率从传统的100ksps提升到10Msps,并产生了一个新名词NRO。

　　2002年三家生产高档数字存储示波器的公司都先后推出带宽6GHz和取样率20GS/s的产品,依次序是泰克、力科和安捷伦,型号分别为TDS6000、WaveMaster8000AT和54850。力科的8000A得到测量业界有影响的“测试测量世界”(TM&W)期刊的推介,发表了8000A与TDS6000的实测对比结果。对测量结果泰克并不承认,但也没有致电编辑部要求更正,使力科的8000A在宣传上占了上风。泰克公司在2003年发表一篇背景资料《带宽和数字信号处理的影响》,直接将TDS6000和8000A作电路结构的对比,指出TDS6000真正具有6GHz的硬件电路带宽,而8000A是依靠数字信号处理器(DSP)的软件方法扩展带宽,从以下四种情况容易获得真实的对比特性。
文章的结论是,借助DSP扩展带宽的低带宽数字存储示波器仍然是低带宽的数字存储示波器。只看技术资料很容易认为8000A和TDS6000的带宽相同,实际上前者属于DSP处理的6GHz增强带宽,TDS6000属于从探头开始的真正高性能6GHz模拟带宽的数字存储示波器。在泰克公司的示波器参考资料中,2004年还登载TDS7000B与安捷伦54850A系列数字存储示波器和1134A差分探头组合的波形测量对比,对被测的2.5GB/s差分信号波形的结果表明,TDS7000B组合的宽带性能优于54850A组合,同时也比力科的相应产品组合更好。实际上,泰克公司自2002年推出TDS6000系列后,经过近两年的努力已取得令人注目的进展,明显超过另两家竞争对手,有可能领先突破10GHz带宽,使数字存储示波器更上一层楼。

写这篇文章的人明显偏爱泰克，就跟大多数使用泰克示波器的工程师一样，看来泰克的示波器在工程师心目中的映像还是根深蒂固的。但不知这两份文档从哪里寻找，以便示波器发烧友更好的查看和学习这些高端产品。由于这些高端示波器非常复杂，普通用户很难深入了解彼此间的真正差异，通常都是看厂商公布的规格参数，所以任何对这些高端示波器进行的深入解剖都非常有有意义。针对泰克指出的硬件电路带宽问题，LeCroy在发布Wavemaster 8Zi的时候特别强调，采用了业界最高带宽的单芯片16GHz前端放大器，和最快的单芯片40GS/s采样率ADC。由于目前采用传统方法的带宽都在16GHz截止，LeCroy 16GHz~30GHz是DBI技术，Tektronix 20GHz是DSP boost，相信16GHz的放大器信号链路是目前示波器厂商的瓶颈。

实现带宽10GHz的挑战

目前突破10GHz带宽的客观条件已经具备,由于数字存储示波器的取样率与带宽之比非常接近2：1的理论极限(最高取样率20GS/s,最高带宽8GHz,两者之比等于2.5),后端利用数字信号处理的方法不难将带宽再扩展至9GHz,前端利用SiGe技术同样可将带宽增加到10GHz。试看安捷伦公司在2004年5月宣布为54855A增加的008选件,可将原来6GHz带宽扩展至7GHz,这款提升带宽软件既可扩展带宽,亦可降低带宽至1GHz,以便改善信号/噪声比和获得平滑频率响应,提高测量准确度和重复性。008选件充分发挥DSP的数字处理和数字滤波能力,使数字存储示波器带宽可伸可缩,为用户提供更灵活的测试方案。安捷伦Infiniium族54850A系列的四种型号的特性如表2所示。值得注意的是：
第一,54855A原来的实时带宽是6GHz,利用软件将带宽扩展成7GHz。6GHz标准带宽的高频特性按-3dB/倍频程下降,没有使用补偿手段,7GHz的扩展带宽借助数字滤波器提升高频带宽,同时实现高频特性快速滚降。使用54855A时,可根据被测信号的特点而选择6GHz或7GHz带宽,每步增量是0.5GHz。

第二,带宽扩展的同时,噪声相应增加。为了提高信号/噪声比,54855A增设多个限频数字滤波器,从1GHz开始每步增量0.5GHz,直至7GHz。在标准带宽6GHz时,200mV/格垂直灵敏度的等效噪声是27mV(rms)在扩展带宽7GHz时,等效噪声增加到49mV(rms)。

第三,54855A的前端电路具有超过6GHz的实时带宽,后端的数字信号处理在标准带宽情况下不会引入带宽的变化。换句话说,带宽从6GHz扩展到7GHz时利用了软件的增强作用。

泰克公司的TDS6804A(008选件)推出时间早两个月,TDS6804B的标准带宽是7GHz,利用数字信号处理的软件扩展,带宽增加到8GHz,其原理与54855A(008选件)的相同,只是带宽更宽。实际上,利用数字处理和滤波器来扩展取样变换后的复现频谱,一直是数字存储示波器的有效手段。力科公司的8000A系列在2002年即获得6GHz的软件扩展带宽,当时限于前端电路和带宽不够和数字信号处理的运算速度较慢而影响到整体特性。近年来,由于SiGe技术继续进步,泰克和安捷伦都在前端电路取得接近8GHz的带宽,结合时钟频率2GHz以上的微处理器和时钟频率1GHz以上的数字信号处理器,对后端信号作实时处理,使数字存储示波器的带宽前进到8GHz。下一步将是突破10GHz宽的瓶颈,现在技术条件基本成熟,只要有市场驱动,带宽10GHz以上的数字存储示波器将指日可待。需要解决的关键问题和解决方法可简述如下：
　　第一,提高数字存储示波器的前端电路带宽,解决办法仍然是SiGe技术,去年IBM公司宣布原来的SiGe 7HP制程已升级为SiGe 8HP制程,线宽由0.18mM提高到0.13mM,器件的开关速度由110GHz提高到200GHz。目前的数字存储示波器前端电路是采用SiGe 7HP制程,如采用SiGe 8HP制造,则前端电路的带宽不难超过10GHz。
　　第二,提高取样率至20GS/s以上,这是最关键的当急之务,目前20GS/s的取样率已经四、五年没有增加,即使再充分利用后端软件扩频,达到取样率/带宽之比等于1时,即达到取样变换理论的极限,此时带宽就是10GHz。2000年的20GS/s取样率是用4块5GS/s取样率的A/D转换芯片合成的,2002年制成取样率达到20GS/s的整块A/D转换芯片。根据目前CMOS技术,SiGe技术、GaAs等技术的进步,利用2块20GS/s取样率的芯片合成40GS/s取样率,或直接制成单芯片的30GS/s A/D转换应该不成问题,而且合成40GS/s的方案难度更低,1×30GS/s的方案同样可行。在这样的取样率下,即可实现10GHz至15GHz的实时带宽。
　　第三,波形更新率和波形实时处理问题,波形更新或波形存储需要高速存储器,波形处理需要高速数字信号处理器。波形更新或存储都是在A/D取样变换后进行,存储器的时钟可低于取样率,但仍然高于PC机所用的外存时钟,使用专用电路(ASIC)可解决高速存储器问题。至于波形处理使用的数字信号处理器(DSP),目前的市售DSP产品即可满足要求,因为波形处理是在后端进行的。
总的来看,数字存储示波器突破10GHz带宽的大关,存在一些技术困难,但并非短期内无法克服的困难,DSO业界三强都有希望再攀高峰,共同推动时域测量更上一个台阶。

这篇有EEPW李仪最早于2004年11月翻译过来的文章，“带宽10GHz以上的数字存储示波器将指日可待”的预测已成为现实。Agilent在04年的10月末抢先发布了DSO80000系列，通过DSP提升带宽实现了最高13GHz的带宽，未采用DSP时是12GHz。业界老大要晚一个多月才推出TDS6015，将带宽的记录更是推到了15GHz，但这两个系列的示波器都非常短命，泰克和Agilent都先后将其用最新的DPO70000和DSO90000替代。单芯片ADC的记录亦由LeCroy打破了此前由Agilent保持的20Gsps的记录，实现了单芯片40Gsps。存储深度也获得了长足的进展，LeCroy的WaveMaster 8Zi最高每通道可支持256Mptsc存储深度。Tektronix的DPO70000则每通道最高支持250Mpts,Agilent 的DSO90000更是宣称最高支持1Gpts/ch。要知道DDR3-1600内存的的峰值传输速率不过才12.8GB/s，虽然示波器是在ADC之后进行存储，存储时钟低于取样率，但DDR3-1600仍然难以满足，是故各家都采用了ASIC来实现高速存储。
下面做一个简要的对比：