СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №7/2015

ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ 44 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 7 2015 Реле и аттенюатор Выборка и хранение АЦП Тактовая частота К системе запуска Память Предусилитель Фильтр, ограничивающий полосу пропускания осциллографа (например, 23 ГГц) Полоса пропускания № 1 согласно теореме Котельникова 25 ГГц (50 Гвыб./с) Шум Частота Спектральная плотность мощности Методы расширения полосы пропускания осциллографов реального времени В статье сравниваются различные методы расширения полосы пропускания осциллографов реального времени и описывается последнее инновационное решение – технология асинхронного чередования во времени (ATI). Tektronix, Inc. За последние десять лет скорость передачи данных в цифровых кана- лах связи выросла более чем десяти- кратно. Ранее широко использовались скорости 1 Гбит/с, а теперь повсемест- ное распространение получают кана- лы со скоростью более 10 Гбит/с. Опти- ческие линии связи работают на ско- ростях 100 Гбит/с и выше. Ведутся исследования, нацеленные на достиже- ние в ближайшем будущем скоростей 1 Тбит/с. Радиочастотные широкопо- лосные каналы связи работают в диа- пазонах выше 20 ГГц, при этом ради- освязь и оптические линии передачи используют сложные схемы модуля- ции и малые амплитуды сигналов для достижения требуемой ёмкости кана- лов и удовлетворения требований нор- мативных документов. Это порожда- ет потребность в широкополосных осциллографах реального времени для проверки, сертификации и отладки этих новых систем. В результате раз- работчики осциллографов вынужде- ны расширять полосу пропускания осциллографов реального времени до 60–70 ГГц и более. О БЫЧНЫЙ ВХОДНОЙ КАНАЛ С АЦП Обычный входной канал цифро- вого осциллографа реального време- ни использует аналоговый входной интерфейс, состоящий из предусили- теля, аттенюатора и схемы выборки и хранения для фиксации амплитуды сигнала на время выборки. Аналого- цифровой преобразователь (АЦП) используется для последовательно- го преобразования уровней напряже- ния, поступающих со схемы выборки и хранения, в поток числовых значе- ний (см. рис. 1). Если предположить, что аналого- вый интерфейс обеспечивает полную полосу пропускания канала, то основ- ным ограничивающим фактором ста- новится частота дискретизации АЦП. Из теоремы Котельникова следует, что для точного представления всех состав- ляющих сигнала в пределах необходи- мого диапазона частот частота дискре- тизации должна превышать максималь- ную частоту сигнала не менее чем в два раза. Например, для канала с полосой пропускания 25 ГГц потребуется часто- та дискретизации не менее 50 Гвыб./с. С ростом требований к полосе пропу- скания становится всё труднее найти АЦП, отвечающий требованиям теоре- мы Котельникова. Здесь уместно было бы обсудить шум обычного входного канала с АЦП, поскольку это станет основой дальней- ших рассуждений относительно шума канала, связанного с методами улучше- ния характеристик АЦП. На рисунке 2 показана спектральная плотность мощности белого шума. Поскольку белый шум по определе- нию содержит все частоты, спектраль- ная плотность мощности равномерно распределена в полосе Котельнико- ва. Для канала с частотой дискретиза- ции 50 Гвыб./с полоса пропускания, согласно теореме Котельникова, рав- на 25 ГГц. Некоторое подавление шума, замет- ное на рисунке 2, связано с фильтром, ограничивающим полосу пропуска- ния осциллографа (так называемый фильтр защиты от наложения спект- ров), который подавляет шум, распо- ложенный между частотой среза филь- тра и частотой Котельникова для дан- ного канала. К АНАЛЫ С ВРЕМЕННЫ ′ М УПЛОТНЕНИЕМ Если частота дискретизации имею- щихся АЦП недостаточна для удовлет- ворения требований к полосе пропу- скания, то приходится искать другие способы использования доступной элементной базы для соответствия таким жёстким условиям или созда- вать АЦП нового поколения. Распро- странённым методом расширения воз- можностей имеющихся компонен- тов является временно ′ е уплотнение. В этом случае аналоговый интерфейс проектируется так, чтобы пропускать всю полосу сигнала, а дальше исполь- зуются два параллельно включённых АЦП. Каждый АЦП должен поддержи- вать частоту дискретизации, равную, как минимум, половине частоты, необ- ходимой для удовлетворения крите- рия Котельникова. Например, если аналоговый интерфейс обеспечивает полосу пропускания до 45 ГГц, то для Рис. 1. Обычный входной канал с АЦП Рис. 2. Спектральная плотность мощности белого шума © СТА-ПРЕСС