严波,RIGOL 首席技术官(CTO),中国高端仪器芯片设计专家。主导设计并量产了中国第一款,高速数字示波器芯片组“凤凰座”,并定义了测试仪器的下一代发展方向。

 

2020.10.28 普源精电(RIGOL) 2020 新品发布会暨行业论坛

01PART 工程师的需求

大家上午好,我是 RIGOL StationMAX 成员,严波,接下来由我给大家分享最新的项目成果。首先我们来看一张图,这是一个很典型的,由多台测试测量仪器组成的系统。

 

图 1 多台仪器测试系统

 

这个系统有几个特点:

第一个特点,由多台仪器组成,这些仪器彼此连接传输数据,系统的组成非常复杂;

 

第二个特点,贵!现在这个图上的所有的设备市场价值相加,在百万元人民币以上。为什么会这样呢?我们所熟悉的测试测量仪器产品,如数字示波器、信号发生器、任意波形发生器和矢量网络分析仪等,功能比较固定,专用化,价格昂贵。当我们需要组建一个测试系统时,需要针对每个测量应用来选择测量设备,每增加一个应用,就要增加一笔额外的投资。这样造成了什么问题呢?我们设备的投入产出比,比较低。

 

为了组合这些不同的仪器,就需要很多专业的知识。我们应该如何选择设备?不同厂家的设备如何互联?这些问题,让测试系统搭建非常复杂。


我们在思考一个问题,如何简化测试系统的搭建?能不能做一个,更加一体化的系统,解决工程师在测试中遇到的问题。针对这个思考,我们考察了一些典型的测试场景,一个通常的测试应用中,应该包含哪些测试条件和测试方法。


以一个高速串行测试系统为例,通常需要包含以下几个部分:发射机,接收机,以及连接发射机和接收机之间的传输电缆。在测试发射机的时,我们需要使用示波器对发射机进行眼图、抖动分析,以及协议解密;在测试接收机的时,我们需要给接收机注入一个可变的信号,可以采用任意波形发生器,在测试过程中,可能增加干扰、抖动来进行压力测试。总之,一个典型的收发一体+信道测试的测试系统,需要具备以下几个功能:接收机用来测试发射端,发射机用来测试接收端,网络分析 / 阻抗测试用来测试信号传输链路。

 

图 2 典型串行信道和信号测试


如何解决问题 02PART

通过这些思考和总结,我们提出了自己的一个构想,来解决最开始的问题。我们觉得全新的产品应该是,一个收发一体化的平台;另外,它的功能不应该是由硬件来决定,而是由软件来决定;最好,它的操作上,不要像类似于虚拟仪器,买回来还需要编程,我们希望买回来上电即用。

 

图 3 我们的构想


具体这个产品应该做成什么样?我们也参考了电子产品发展历程,来寻找灵感。如下图所示,这是个人无线通讯产品的发展历程。最开始是模拟手机,功能非常单一,只能打电话。随着半导体技术和数字蜂窝技术的发展,出现了 GSM 手机。在功能手机时代,大家可能还有印象,满大街都是这样的功能手机,在手机上的叠加了各种功能:MP3、彩铃、拍照等等。走到卖手机的店里面,选择困难症就犯了。直到有一天,智能手机诞生了,这个繁荣的 2G 功能手机市场,瞬间归于平静。原来有无数的功能手机厂商,在这个市场上非常的热闹,到了智能手机时代,手机厂商越来越少。为什么呢?因为智能手机它提供了一个硬件平台,而功能是由软件定义的。

 

图 4 电子产品的发展历程


我们看到,这也许,将是我们仪器发展的一个趋势。我们再来看一下,仪器行业的发展过程。在 1940 年代及之前,大部分仪器都是使用电子管,它的功能非常单一,被测信号以发光的形式,将信号的状态呈现给使用者,它无法完成多台仪器的互通。而这个信息收集过程,就需要实验员来完成了,这样非常低效。到了 1960 年代,随着计算机技术的发展,出现了通过计算机通信接口互联的多台仪器系统。后来,技术进一步进步,到了 1980 年代,出现了模块化仪器系统,它提供了更好的自动化测试能力。另外,模块化仪器是由板卡组成的,可以通过组合不同的板卡来实现不同的功能。在这个发展过程中,我们看到了仪器的发展趋势,是逐步地由单一功能 ->到组合功能 ->再到一体化功能,这么一个趋势。

 

图 5 仪器行业发展历程



03PART 如何构建第四代仪器

根据上面的多次思考,我们也构想了,应该做成什么样。首先,第四代仪器应该是由功能非常强大的收发通道组成的仪器,在组合过程中,需要将 2 个通道形成互相协调的特性。要实现这个互相协调特性,就需要有一个非常高的内部数据传输和处理能力。我们计算过,要实现 4G 带宽的系统话,至少需要 440Gbps 的数据传输和处理能力。最重要的一点,它的功能,不应该是由硬件决定,而应该是像智能手机一样,通过安装 APP,由软件来决定它的功能。


而作为一台仪器,它的信息样本需要包含两项关键信息:1、信号的幅度;2、信号的时间。过往单通道的仪器,时间精度比较容易保证。但是在复杂的测试系统,就存在多个测量通道之间时间的同步关系,这个同步关系只有在一定精度内,整个收发系统的协调和配合才能达到一定的使用性。在我们调研过程中,一般认为多个时间系统的时间同步性需要达到 10ps,才能满足需求。

 

图 6 应该做成什么样


做了这么多的概念预研,说干就干,这就是 RIGOL 的特点,敢想!能干!


当我们需要有计划、有步骤地实现这个目标,我们经过了 10 年的 ASIC 技术积累,突破了宽带信息采样的关键芯片技术。为了能将收发系统有机地集到一起,我们在方案打磨方面,完成 10 个以上方案的讨论、改进和验证。刚才也提到了很多关键的技术点,这些技术包括:宽带采样、高速信号合成,以及多路信号之间的精确度同步。在产品研发过程中,我们至少有 10 个以上关键技术的突破,这些技术融合成一款新的仪器,我们认为它应该是仪器发展过程中,有自己地位的一款产品。

 

图 7 如何做到


从 1940 年代及之前的第一代仪器,到 1960 年代第二代组合仪器,再到 1980 年代第三代模块化的软件定义仪器,现在,2020 年,第四代仪器应该是什么样的?

 

图 8 仪器系统将如何再次演进


请看大屏幕,第四代仪器,一体化软件可定义仪器!打破传统仪器功能固定、测试系统组合复杂的局限性,实现了由不同“App”软件来定义仪器功能的新突破。

 

图 9 第四代仪器


Max70000 系列时域工作站,业界首台一体化软件可定义时域工作站。在单台仪器上,通过收发通道的互相组合,能够同时进行发送、接收以及阻抗的测量,单台仪器即可作为一个完整的测试系统。                            

 

图 10 Max70000 系列时域工作站


Max70000 系列时域工作站是基于全新的 StationMax®硬件平台实现的。我们来看一下 StationMax®硬件平台是如何运作的。


该平台包含两个部分:1、基础硬件层,这个基础硬件层包含:宽带接收机、宽带发射机、宽带收发间的信号处理和传输能力、强大的数字信号处理功能、一个 6 核 64 位的处理器确保软件的顺畅运行。2、在这个基础硬件层之上,是它的第二部分,我们构建了一个可重构的硬件层,它用来实时处理收发两个系统所产生的信息,目前已经集成了 SiFi III、UltraVision III、UltraReal 这三种关键技术,未来将会有更多技术集成进来。


强大的硬件平台为我们提供了基础,我们想通过 APP 的方式改变仪器的功能,实现客户不同的应用需求。为了方便这个过程,我们增加了开放式 API 架构,在开放式 API 架构之上,才是我们的测量应用软件。它既可以是一台示波器、也可以是信号源,还可以是矢量网络分析仪等等。

 

图 11 StationMax®硬件平台


我们可以想象一下,当拥有了 4G 带宽的接收机、5G 带宽的发射机、以及 440 Gbps 以上强大的运算能力,它还能帮助我们做些什么?这个问题,需要我们进一步探索,就像第一代智能手机诞生后,应用也开始了剧烈的爆发。我们仪器也将进入一个新的时代。


最后,让我们来一起看一下 StationMax®硬件平台的参数,基础硬件性能部分,我们有 4 个接收通道、4 个发射通道、接收通道的带宽可达 4G、发射通道的带宽可达 5G、接收通道的采样率可达 20 GSa/s。而且,在幅度测量方面,它的精度可变,8-16bit 垂直分辨率可变,能实现高精度、高速的采样。而他的信号合成分辨率达到了 16bit,即使在非常宽的带宽内,都能产生非常精细的信号。可重构硬件性能部分,我们提供了 2000GMAC/s 和 440 Gbps 内部互联带宽。

 

图 12 StationMax®硬件平台的参数

 

随着第四代仪器的诞生,“XX 测试仪器”可能成为历史,就像我们买手机一样,我们不会问你的手机有什么功能,大家都知道它是一台智能手机。未来,我们买仪器也不会问,它是一台示波器,还是一台 AWG,以及……。它只有一个名字,“仪器”——软件可定义仪器!