工業4.0那么大，泰克帶您從高帶寬ATI示波器開始
2020-06-12
日前，國務院印發《中國制造2025》，在政策上為工業4.0提供指引，不出意料，各相關行業反響強烈，包括為工業提供質量保證的測試測量行業。作為測試測量行業先鋒，成立于1946年的泰克(Tektronix)，從發明第一臺示波器開始直到今天，期間經歷過第三次工業革命的洗禮，并且收獲了這場革命帶來的包括經濟和技術在內的豐厚價值。現在第四次工業革命——工業4.0已經初現端倪，泰克也在不斷創新，以幫助客戶正面迎接工業4.0，例如最新推出的重磅產品——70 GHz ATI高性能實時示波器。
就在《中國制造2025》出來的第二天，泰克在京舉辦了創新論壇，而主題恰好就是“工業4.0時代的測試測量”。泰克大中華區市場總監徐贇先生和泰克中國區銷售總監宋磊先生與參會工程師們分享了許多與中國、與工業相關的小故事，以及泰克針對工業4.0的最新技術。
圖1 泰克大中華區市場總監徐贇先生
圖2 泰克中國區銷售總監宋磊先生
“今年是泰克在中國市場的第30個年頭，已經為中國提供幾十萬臺測試儀器，其中的使用者就不乏工業領域的客戶。”宋磊先生感慨到，“無論推出什么產品，無論針對哪個行業，泰克一直秉承創新性、可靠性和界面友好這三點。19世紀70年代，在中國的衛星地面站和廣播站就開始用泰克的設備，前陣子我去參觀，發現經歷了40多年，有的設備還在使用，并且指標與當時的一樣，足以證明我們設備是多么可靠。”
秉承創新理念，拓展新領域
泰克近些年收購了BERTScope、Optametra、吉時利、Picosecond Pulse Labs以拓展新領域，為客戶提供更完善的解決方案。在2010年收購與其“同年生”的吉時利（KEITHLEY）時，引起了業內不小的震動。宋磊先生強調了此次收購為泰克帶來的好處：“現在泰克可以提供從皮安倍（pA）、納伏（nV）到吉赫茲（GHz）這樣最高帶寬的測量，并且從工程師使用的電子測量儀器拓展到半導體、新材料領域的測量。也即從廣度和深度上都助泰克一臂之力，鞏固行業地位。”
當然，創新是需要資金支持的。宋總透露：“泰克持續加大投入，2014年的研發投資占產品銷售收入的19%。并且現在的收入多半來自過去3年推出的新產品，這些都是對手不能比的。泰克還使用了入選哈佛大學教程的丹納赫商業體系（DBS）工具，用于精益生產和保證品質。此外，泰克與IBM自1996年就建立了合作關系，與IBM共同研究的鍺硅(GeSi)芯片制造技術將用于未來10年的高帶寬、低噪聲測試產品中，例如用于預放大器和跟蹤/保持采集系統。”
工業4.0那么大，你怎么進入呢？四個關鍵點
工業4.0有智慧工廠和智能生產兩大主題，徐贇先生認為工業4.0就是智能和互聯互通，智能是特征，互聯互通是手段，而傳感技術是創新。因為過去我們說的智能總是集中在處理器這樣的后端，現在傳感器這樣的前端已經成為創新的主力軍。徐總把高大上的工業4.0更具體地分解成4個我們能接觸和理解的技術：（1）計算，包括高帶寬、大數據和云計算；（2）通信，包括總線通信、無線通信和光通信；（3）基于計算和通信的控制，包括功耗監測、信號完整性和實時頻譜等；（4）貫穿各個方面的智能。從以上也可以看出智能互聯時代的趨勢和挑戰：無處不在的無線技術、對更高帶寬的持續需求、提高能源效率、視頻無處不在。
徐總解釋到：“現在很多設備都帶有無線功能，并且帶寬越來越高，信號更復雜；此外，真正的混合域應用正成為趨勢，工程師要在一個設計中提供模擬信號和數字信號。以上這些都使得你即便不是RF工程師也必須做好無線。泰克為分析隨時間變化的超寬帶寬RF/微波信號提供革命性RF產品，如實時頻譜分析儀、混合域示波器等，并提供了整體RF測試方案，以應對最苛刻的設計挑戰樹立信心。”
總理都催著提高網速了，可見對更高的帶寬的需求多么強烈，而高帶寬對數據完整性提供了很高的要求。泰克包括示波器、誤碼率測試儀、光波信號分析儀等在內的測量設備為高速計算機和通信系統設計提供準確的測試結果，簡化串行標準測試復雜程度。泰克更是隆重推出了采用ATI（異步時序交織）技術的70 GHz實時示波器，這個將在后面詳細介紹。
泰克和吉時利提供從元器件檢定到電源系統驗證的各種測量解決方案。覆蓋芯片、無線設備、可穿戴設備等領域極具挑戰的低功耗測試，例如低電壓低電源測試、待機功耗測試等，以幫助提高能源效率。
你知道嗎？泰克一直是視頻設備的領導者，徐總給記者掃了一下盲：“現在的轉播車中都有泰克的設備。電視沒信號時的“雪花片”都是泰克發明的。伴隨著4K的發展，從內容創建到傳送，泰克提供各種測量解決方案。”
從高帶寬示波器開始工業4.0之旅
從發明示波器開始，泰克就一直引領示波器的世界標準，現在每10個工程師中就有8個使用泰克的示波器，在工業4.0時代，示波器也必須要改進，以幫助工程師們加速調試未來設計。泰克秉承創新理念，進行大刀闊斧的改革，最新推出了世界上第一臺70 GHz采用ATI的高性能實時示波器DPO70000SX系列，其代表著全新示波器的開始。
在泰克已經23年的資深行銷工程師Mike Martin特意來到中國向詳細介紹了這款高帶寬示波器，他說到：“這不是小改進，而是新紀元，未來許多新儀器也將基于這種平臺。其采用低噪聲ATI結構，具有業內最緊湊的封裝、可擴充的/靈活的多臺系統以及同類最優秀的信號捕獲功能。憑借異步時序交織(ATI)技術，泰克再度推進示波器行業發展。”
DPO70000SX系列的主要指標包括：70GHz模擬帶寬（<6 ps上升時間，可選為雙通道，每通道33 GHz帶寬）、200 GS/s采樣率、100fs抖動噪底、≥25GHz邊沿觸發帶寬、存儲深度達1 GHz。
它是業內封裝最緊湊的高性能示波器，有效利用機架空間，通道數量更高，能夠把兩臺示波器堆疊在同一個空間，變成標準臺式示波器；靈活地放置在DUT附近，縮短電纜長度，保持與DUT的信號保真度，支持靈活的顯示選項和分析控件。
Martin介紹到：“憑借創新的UltraSync架構，DPO70000SX支持高性能同步和控制總線，支持多臺配置；并且配置靈活，有精確的多通道同步定時，設計時的目標是<500 fs通道間抖動，實際上達到了250 fs，這比當今任何多通道示波器都更好；UltraSync電纜簡化系統連接；分布式處理技術，提高分析速度，即每臺儀器是對等的關系（非主從），進行并行處理，可將結果顯示在一個界面上。用于對高速信號和高存儲深度的測量。
目前，在遠距離網絡光調制分析領域，400G波特要求更快的示波器（包括能夠同步多臺高性能示波器）；在基礎科研應用中，需要準確地捕獲高帶寬單次信號；在寬帶雷達、高級RF通信，需要Kband（40GHz）測試和驗證，而頻譜分析儀不能滿足這一需求；在高速數據通信領域，業內正在轉向56Gb，需要驗證芯片和系統模塊。而DPO70000SX系列可以滿足這些領域的所有苛刻需求。
圖3 兩臺DPO70000SX系列搭建的測試系統，右邊為統一界面，左邊為可選的操控臺
詳解ATI與混頻的區別和優勢
現在，光通信的速率通常設計為100 Gb/s及以上，不久的將來，研究設計目標已經達到1 Tb/s。隨著帶寬的要求的不斷提高，找到滿足內奎斯特定理要求的ADC變成更大的挑戰。在ADC突破瓶頸之前，泰克認為基于ATI技術的高性能實時示波器是必然之選。通過使用兩個ADC采樣整個頻譜，DPO70000SX示波器平均數據，提供了最低噪聲和最優性能。
Martin詳細描述了之前的一些技術方案：“為了拓展帶寬，時間隔行掃描是一種常用技術。隨著采樣率的提高，隨機噪聲會均勻分布到新的內奎斯特帶寬上。泰克的競爭對手在高帶寬示波器上采用數字帶寬隔行掃描，對于示波器設計人員來說，其主要優勢是每臺ADC的采樣率只需大于總帶寬。但是這種設計面臨許多挑戰。一旦采集結束，數據放入波形內存，那么必須使用DSP把上方頻段上變頻回到原始頻率范圍。恢復兩個‘一半’頻譜、重建波形非常復雜。由于路徑并不是完全一樣，因此必須在抵消中補償這些差異，抵消則是DSP的一部分。此外，由于兩個‘一半’頻譜中使用急劇的帶通濾波器，因此恢復頻譜的具體中心存在問題。在重復區域可能有平坦度問題，在該點上相位線性度也有問題。噪聲PSD會均勻分布在采樣通道的內奎斯特帶寬上。事實上，使用頻率交織時，噪聲會提高，而且沒有在保持帶寬不變的情況下去降低噪聲的機會。”
圖4 混頻器的采樣通道實例
ATI中完全對稱的路徑實現理想的性能匹配；每條路徑數字化整個信號，而不只是一半；重建增加了兩份整個信號，可以除以2進行平均，使噪聲下降3dB。Martin對ATI的原理進行了細致的解釋：“在異步時序交織（ATI）技術中，預采樣器作為諧波混頻器。框圖如下圖所示。需要說明的是：路徑是對稱的，ATI中使用兩個ADC采樣整個頻譜，信號的整個帶寬都被應用到兩個ADC，這樣，噪聲的功率譜密度均勻分布到總采樣率中（每個ADC采樣率的2倍），結果，通帶中的整體噪聲要低于類似頻率交織結構中的噪聲。這種設計采用預采樣器，故意對輸入信號進行次采樣，從而產生假信號，或把頻譜成分的上半部分翻回到ADC的內奎斯特帶寬。在最后組合步驟中，本質上是和除以2，這一函數把輸入幅度返回原始值，另外會影響整個采集的噪聲平均，從而進一步降低測量通道的總噪聲。”
圖5 ATI通道方框圖
總之，ATI技術提供了一種杰出的擴展商用ADC器件性能的方法，提供了最高的信號保真度，保持最低的噪聲電平。當然，客戶不在乎你用什么技術來做示波器，而是在乎信號完整度、低噪聲等關鍵指標。
不管是70 GHz DPO70000SX示波器，還是六合一MDO3000混合域示波器，或者是DMM7510圖形采樣萬用表，都是泰克為滿足行業的各種需求而推出的。徐總總結到：“工業4.0時代將誕生更多的測試測量的新需求和挑戰，幫助中國工程師實現自主創新，迎接工業4.0的到來。”
泰克示波器產品鏈接：http://www.kafenchem.com/plus/list.php?tid=58
就在《中國制造2025》出來的第二天，泰克在京舉辦了創新論壇，而主題恰好就是“工業4.0時代的測試測量”。泰克大中華區市場總監徐贇先生和泰克中國區銷售總監宋磊先生與參會工程師們分享了許多與中國、與工業相關的小故事，以及泰克針對工業4.0的最新技術。
圖1 泰克大中華區市場總監徐贇先生
圖2 泰克中國區銷售總監宋磊先生
“今年是泰克在中國市場的第30個年頭，已經為中國提供幾十萬臺測試儀器，其中的使用者就不乏工業領域的客戶。”宋磊先生感慨到，“無論推出什么產品，無論針對哪個行業，泰克一直秉承創新性、可靠性和界面友好這三點。19世紀70年代，在中國的衛星地面站和廣播站就開始用泰克的設備，前陣子我去參觀，發現經歷了40多年，有的設備還在使用，并且指標與當時的一樣，足以證明我們設備是多么可靠。”
秉承創新理念，拓展新領域
泰克近些年收購了BERTScope、Optametra、吉時利、Picosecond Pulse Labs以拓展新領域，為客戶提供更完善的解決方案。在2010年收購與其“同年生”的吉時利（KEITHLEY）時，引起了業內不小的震動。宋磊先生強調了此次收購為泰克帶來的好處：“現在泰克可以提供從皮安倍（pA）、納伏（nV）到吉赫茲（GHz）這樣最高帶寬的測量，并且從工程師使用的電子測量儀器拓展到半導體、新材料領域的測量。也即從廣度和深度上都助泰克一臂之力，鞏固行業地位。”
當然，創新是需要資金支持的。宋總透露：“泰克持續加大投入，2014年的研發投資占產品銷售收入的19%。并且現在的收入多半來自過去3年推出的新產品，這些都是對手不能比的。泰克還使用了入選哈佛大學教程的丹納赫商業體系（DBS）工具，用于精益生產和保證品質。此外，泰克與IBM自1996年就建立了合作關系，與IBM共同研究的鍺硅(GeSi)芯片制造技術將用于未來10年的高帶寬、低噪聲測試產品中，例如用于預放大器和跟蹤/保持采集系統。”
工業4.0那么大，你怎么進入呢？四個關鍵點
工業4.0有智慧工廠和智能生產兩大主題，徐贇先生認為工業4.0就是智能和互聯互通，智能是特征，互聯互通是手段，而傳感技術是創新。因為過去我們說的智能總是集中在處理器這樣的后端，現在傳感器這樣的前端已經成為創新的主力軍。徐總把高大上的工業4.0更具體地分解成4個我們能接觸和理解的技術：（1）計算，包括高帶寬、大數據和云計算；（2）通信，包括總線通信、無線通信和光通信；（3）基于計算和通信的控制，包括功耗監測、信號完整性和實時頻譜等；（4）貫穿各個方面的智能。從以上也可以看出智能互聯時代的趨勢和挑戰：無處不在的無線技術、對更高帶寬的持續需求、提高能源效率、視頻無處不在。
徐總解釋到：“現在很多設備都帶有無線功能，并且帶寬越來越高，信號更復雜；此外，真正的混合域應用正成為趨勢，工程師要在一個設計中提供模擬信號和數字信號。以上這些都使得你即便不是RF工程師也必須做好無線。泰克為分析隨時間變化的超寬帶寬RF/微波信號提供革命性RF產品，如實時頻譜分析儀、混合域示波器等，并提供了整體RF測試方案，以應對最苛刻的設計挑戰樹立信心。”
總理都催著提高網速了，可見對更高的帶寬的需求多么強烈，而高帶寬對數據完整性提供了很高的要求。泰克包括示波器、誤碼率測試儀、光波信號分析儀等在內的測量設備為高速計算機和通信系統設計提供準確的測試結果，簡化串行標準測試復雜程度。泰克更是隆重推出了采用ATI（異步時序交織）技術的70 GHz實時示波器，這個將在后面詳細介紹。
泰克和吉時利提供從元器件檢定到電源系統驗證的各種測量解決方案。覆蓋芯片、無線設備、可穿戴設備等領域極具挑戰的低功耗測試，例如低電壓低電源測試、待機功耗測試等，以幫助提高能源效率。
你知道嗎？泰克一直是視頻設備的領導者，徐總給記者掃了一下盲：“現在的轉播車中都有泰克的設備。電視沒信號時的“雪花片”都是泰克發明的。伴隨著4K的發展，從內容創建到傳送，泰克提供各種測量解決方案。”
從高帶寬示波器開始工業4.0之旅
從發明示波器開始，泰克就一直引領示波器的世界標準，現在每10個工程師中就有8個使用泰克的示波器，在工業4.0時代，示波器也必須要改進，以幫助工程師們加速調試未來設計。泰克秉承創新理念，進行大刀闊斧的改革，最新推出了世界上第一臺70 GHz采用ATI的高性能實時示波器DPO70000SX系列，其代表著全新示波器的開始。
在泰克已經23年的資深行銷工程師Mike Martin特意來到中國向詳細介紹了這款高帶寬示波器，他說到：“這不是小改進，而是新紀元，未來許多新儀器也將基于這種平臺。其采用低噪聲ATI結構，具有業內最緊湊的封裝、可擴充的/靈活的多臺系統以及同類最優秀的信號捕獲功能。憑借異步時序交織(ATI)技術，泰克再度推進示波器行業發展。”
DPO70000SX系列的主要指標包括：70GHz模擬帶寬（<6 ps上升時間，可選為雙通道，每通道33 GHz帶寬）、200 GS/s采樣率、100fs抖動噪底、≥25GHz邊沿觸發帶寬、存儲深度達1 GHz。
它是業內封裝最緊湊的高性能示波器，有效利用機架空間，通道數量更高，能夠把兩臺示波器堆疊在同一個空間，變成標準臺式示波器；靈活地放置在DUT附近，縮短電纜長度，保持與DUT的信號保真度，支持靈活的顯示選項和分析控件。
Martin介紹到：“憑借創新的UltraSync架構，DPO70000SX支持高性能同步和控制總線，支持多臺配置；并且配置靈活，有精確的多通道同步定時，設計時的目標是<500 fs通道間抖動，實際上達到了250 fs，這比當今任何多通道示波器都更好；UltraSync電纜簡化系統連接；分布式處理技術，提高分析速度，即每臺儀器是對等的關系（非主從），進行并行處理，可將結果顯示在一個界面上。用于對高速信號和高存儲深度的測量。
目前，在遠距離網絡光調制分析領域，400G波特要求更快的示波器（包括能夠同步多臺高性能示波器）；在基礎科研應用中，需要準確地捕獲高帶寬單次信號；在寬帶雷達、高級RF通信，需要Kband（40GHz）測試和驗證，而頻譜分析儀不能滿足這一需求；在高速數據通信領域，業內正在轉向56Gb，需要驗證芯片和系統模塊。而DPO70000SX系列可以滿足這些領域的所有苛刻需求。
圖3 兩臺DPO70000SX系列搭建的測試系統，右邊為統一界面，左邊為可選的操控臺
詳解ATI與混頻的區別和優勢
現在，光通信的速率通常設計為100 Gb/s及以上，不久的將來，研究設計目標已經達到1 Tb/s。隨著帶寬的要求的不斷提高，找到滿足內奎斯特定理要求的ADC變成更大的挑戰。在ADC突破瓶頸之前，泰克認為基于ATI技術的高性能實時示波器是必然之選。通過使用兩個ADC采樣整個頻譜，DPO70000SX示波器平均數據，提供了最低噪聲和最優性能。
Martin詳細描述了之前的一些技術方案：“為了拓展帶寬，時間隔行掃描是一種常用技術。隨著采樣率的提高，隨機噪聲會均勻分布到新的內奎斯特帶寬上。泰克的競爭對手在高帶寬示波器上采用數字帶寬隔行掃描，對于示波器設計人員來說，其主要優勢是每臺ADC的采樣率只需大于總帶寬。但是這種設計面臨許多挑戰。一旦采集結束，數據放入波形內存，那么必須使用DSP把上方頻段上變頻回到原始頻率范圍。恢復兩個‘一半’頻譜、重建波形非常復雜。由于路徑并不是完全一樣，因此必須在抵消中補償這些差異，抵消則是DSP的一部分。此外，由于兩個‘一半’頻譜中使用急劇的帶通濾波器，因此恢復頻譜的具體中心存在問題。在重復區域可能有平坦度問題，在該點上相位線性度也有問題。噪聲PSD會均勻分布在采樣通道的內奎斯特帶寬上。事實上，使用頻率交織時，噪聲會提高，而且沒有在保持帶寬不變的情況下去降低噪聲的機會。”
圖4 混頻器的采樣通道實例
ATI中完全對稱的路徑實現理想的性能匹配；每條路徑數字化整個信號，而不只是一半；重建增加了兩份整個信號，可以除以2進行平均，使噪聲下降3dB。Martin對ATI的原理進行了細致的解釋：“在異步時序交織（ATI）技術中，預采樣器作為諧波混頻器。框圖如下圖所示。需要說明的是：路徑是對稱的，ATI中使用兩個ADC采樣整個頻譜，信號的整個帶寬都被應用到兩個ADC，這樣，噪聲的功率譜密度均勻分布到總采樣率中（每個ADC采樣率的2倍），結果，通帶中的整體噪聲要低于類似頻率交織結構中的噪聲。這種設計采用預采樣器，故意對輸入信號進行次采樣，從而產生假信號，或把頻譜成分的上半部分翻回到ADC的內奎斯特帶寬。在最后組合步驟中，本質上是和除以2，這一函數把輸入幅度返回原始值，另外會影響整個采集的噪聲平均，從而進一步降低測量通道的總噪聲。”
圖5 ATI通道方框圖
總之，ATI技術提供了一種杰出的擴展商用ADC器件性能的方法，提供了最高的信號保真度，保持最低的噪聲電平。當然，客戶不在乎你用什么技術來做示波器，而是在乎信號完整度、低噪聲等關鍵指標。
不管是70 GHz DPO70000SX示波器，還是六合一MDO3000混合域示波器，或者是DMM7510圖形采樣萬用表，都是泰克為滿足行業的各種需求而推出的。徐總總結到：“工業4.0時代將誕生更多的測試測量的新需求和挑戰，幫助中國工程師實現自主創新，迎接工業4.0的到來。”
泰克示波器產品鏈接：http://www.kafenchem.com/plus/list.php?tid=58
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