工业4.0那么大，泰克带您从高带宽ATI示波器开始
2020-06-12
日前，国务院印发《中国制造2025》，在政策上为工业4.0提供指引，不出意料，各相关行业反响强烈，包括为工业提供质量保证的测试测量行业。作为测试测量行业先锋，成立于1946年的泰克(Tektronix)，从发明第一台示波器开始直到今天，期间经历过第三次工业革命的洗礼，并且收获了这场革命带来的包括经济和技术在内的丰厚价值。现在第四次工业革命——工业4.0已经初现端倪，泰克也在不断创新，以帮助客户正面迎接工业4.0，例如最新推出的重磅产品——70 GHz ATI高性能实时示波器。
就在《中国制造2025》出来的第二天，泰克在京举办了创新论坛，而主题恰好就是“工业4.0时代的测试测量”。泰克大中华区市场总监徐贇先生和泰克中国区销售总监宋磊先生与参会工程师们分享了许多与中国、与工业相关的小故事，以及泰克针对工业4.0的最新技术。
图1 泰克大中华区市场总监徐贇先生
图2 泰克中国区销售总监宋磊先生
“今年是泰克在中国市场的第30个年头，已经为中国提供几十万台测试仪器，其中的使用者就不乏工业领域的客户。”宋磊先生感慨到，“无论推出什么产品，无论针对哪个行业，泰克一直秉承创新性、可靠性和界面友好这三点。19世纪70年代，在中国的卫星地面站和广播站就开始用泰克的设备，前阵子我去参观，发现经历了40多年，有的设备还在使用，并且指标与当时的一样，足以证明我们设备是多么可靠。”
秉承创新理念，拓展新领域
泰克近些年收购了BERTScope、Optametra、吉时利、Picosecond Pulse Labs以拓展新领域，为客户提供更完善的解决方案。在2010年收购与其“同年生”的吉时利（KEITHLEY）时，引起了业内不小的震动。宋磊先生强调了此次收购为泰克带来的好处：“现在泰克可以提供从皮安倍（pA）、纳伏（nV）到吉赫兹（GHz）这样最高带宽的测量，并且从工程师使用的电子测量仪器拓展到半导体、新材料领域的测量。也即从广度和深度上都助泰克一臂之力，巩固行业地位。”
当然，创新是需要资金支持的。宋总透露：“泰克持续加大投入，2014年的研发投资占产品销售收入的19%。并且现在的收入多半来自过去3年推出的新产品，这些都是对手不能比的。泰克还使用了入选哈佛大学教程的丹纳赫商业体系（DBS）工具，用于精益生产和保证品质。此外，泰克与IBM自1996年就建立了合作关系，与IBM共同研究的锗硅(GeSi)芯片制造技术将用于未来10年的高带宽、低噪声测试产品中，例如用于预放大器和跟踪/保持采集系统。”
工业4.0那么大，你怎么进入呢？四个关键点
工业4.0有智慧工厂和智能生产两大主题，徐贇先生认为工业4.0就是智能和互联互通，智能是特征，互联互通是手段，而传感技术是创新。因为过去我们说的智能总是集中在处理器这样的后端，现在传感器这样的前端已经成为创新的主力军。徐总把高大上的工业4.0更具体地分解成4个我们能接触和理解的技术：（1）计算，包括高带宽、大数据和云计算；（2）通信，包括总线通信、无线通信和光通信；（3）基于计算和通信的控制，包括功耗监测、信号完整性和实时频谱等；（4）贯穿各个方面的智能。从以上也可以看出智能互联时代的趋势和挑战：无处不在的无线技术、对更高带宽的持续需求、提高能源效率、视频无处不在。
徐总解释到：“现在很多设备都带有无线功能，并且带宽越来越高，信号更复杂；此外，真正的混合域应用正成为趋势，工程师要在一个设计中提供模拟信号和数字信号。以上这些都使得你即便不是RF工程师也必须做好无线。泰克为分析随时间变化的超宽带宽RF/微波信号提供革命性RF产品，如实时频谱分析仪、混合域示波器等，并提供了整体RF测试方案，以应对最苛刻的设计挑战树立信心。”
总理都催着提高网速了，可见对更高的带宽的需求多么强烈，而高带宽对数据完整性提供了很高的要求。泰克包括示波器、误码率测试仪、光波信号分析仪等在内的测量设备为高速计算机和通信系统设计提供准确的测试结果，简化串行标准测试复杂程度。泰克更是隆重推出了采用ATI（异步时序交织）技术的70 GHz实时示波器，这个将在后面详细介绍。
泰克和吉时利提供从元器件检定到电源系统验证的各种测量解决方案。覆盖芯片、无线设备、可穿戴设备等领域极具挑战的低功耗测试，例如低电压低电源测试、待机功耗测试等，以帮助提高能源效率。
你知道吗？泰克一直是视频设备的领导者，徐总给记者扫了一下盲：“现在的转播车中都有泰克的设备。电视没信号时的“雪花片”都是泰克发明的。伴随着4K的发展，从内容创建到传送，泰克提供各种测量解决方案。”
从高带宽示波器开始工业4.0之旅
从发明示波器开始，泰克就一直引领示波器的世界标准，现在每10个工程师中就有8个使用泰克的示波器，在工业4.0时代，示波器也必须要改进，以帮助工程师们加速调试未来设计。泰克秉承创新理念，进行大刀阔斧的改革，最新推出了世界上第一台70 GHz采用ATI的高性能实时示波器DPO70000SX系列，其代表着全新示波器的开始。
在泰克已经23年的资深行销工程师Mike Martin特意来到中国向详细介绍了这款高带宽示波器，他说到：“这不是小改进，而是新纪元，未来许多新仪器也将基于这种平台。其采用低噪声ATI结构，具有业内最紧凑的封装、可扩充的/灵活的多台系统以及同类最优秀的信号捕获功能。凭借异步时序交织(ATI)技术，泰克再度推进示波器行业发展。”
DPO70000SX系列的主要指标包括：70GHz模拟带宽（<6 ps上升时间，可选为双通道，每通道33 GHz带宽）、200 GS/s采样率、100fs抖动噪底、≥25GHz边沿触发带宽、存储深度达1 GHz。
它是业内封装最紧凑的高性能示波器，有效利用机架空间，通道数量更高，能够把两台示波器堆叠在同一个空间，变成标准台式示波器；灵活地放置在DUT附近，缩短电缆长度，保持与DUT的信号保真度，支持灵活的显示选项和分析控件。
Martin介绍到：“凭借创新的UltraSync架构，DPO70000SX支持高性能同步和控制总线，支持多台配置；并且配置灵活，有精确的多通道同步定时，设计时的目标是<500 fs通道间抖动，实际上达到了250 fs，这比当今任何多通道示波器都更好；UltraSync电缆简化系统连接；分布式处理技术，提高分析速度，即每台仪器是对等的关系（非主从），进行并行处理，可将结果显示在一个界面上。用于对高速信号和高存储深度的测量。
目前，在远距离网络光调制分析领域，400G波特要求更快的示波器（包括能够同步多台高性能示波器）；在基础科研应用中，需要准确地捕获高带宽单次信号；在宽带雷达、高级RF通信，需要Kband（40GHz）测试和验证，而频谱分析仪不能满足这一需求；在高速数据通信领域，业内正在转向56Gb，需要验证芯片和系统模块。而DPO70000SX系列可以满足这些领域的所有苛刻需求。
图3 两台DPO70000SX系列搭建的测试系统，右边为统一界面，左边为可选的操控台
详解ATI与混频的区别和优势
现在，光通信的速率通常设计为100 Gb/s及以上，不久的将来，研究设计目标已经达到1 Tb/s。随着带宽的要求的不断提高，找到满足内奎斯特定理要求的ADC变成更大的挑战。在ADC突破瓶颈之前，泰克认为基于ATI技术的高性能实时示波器是必然之选。通过使用两个ADC采样整个频谱，DPO70000SX示波器平均数据，提供了最低噪声和最优性能。
Martin详细描述了之前的一些技术方案：“为了拓展带宽，时间隔行扫描是一种常用技术。随着采样率的提高，随机噪声会均匀分布到新的内奎斯特带宽上。泰克的竞争对手在高带宽示波器上采用数字带宽隔行扫描，对于示波器设计人员来说，其主要优势是每台ADC的采样率只需大于总带宽。但是这种设计面临许多挑战。一旦采集结束，数据放入波形内存，那么必须使用DSP把上方频段上变频回到原始频率范围。恢复两个‘一半’频谱、重建波形非常复杂。由于路径并不是完全一样，因此必须在抵消中补偿这些差异，抵消则是DSP的一部分。此外，由于两个‘一半’频谱中使用急剧的带通滤波器，因此恢复频谱的具体中心存在问题。在重复区域可能有平坦度问题，在该点上相位线性度也有问题。噪声PSD会均匀分布在采样通道的内奎斯特带宽上。事实上，使用频率交织时，噪声会提高，而且没有在保持带宽不变的情况下去降低噪声的机会。”
图4 混频器的采样通道实例
ATI中完全对称的路径实现理想的性能匹配；每条路径数字化整个信号，而不只是一半；重建增加了两份整个信号，可以除以2进行平均，使噪声下降3dB。Martin对ATI的原理进行了细致的解释：“在异步时序交织（ATI）技术中，预采样器作为谐波混频器。框图如下图所示。需要说明的是：路径是对称的，ATI中使用两个ADC采样整个频谱，信号的整个带宽都被应用到两个ADC，这样，噪声的功率谱密度均匀分布到总采样率中（每个ADC采样率的2倍），结果，通带中的整体噪声要低于类似频率交织结构中的噪声。这种设计采用预采样器，故意对输入信号进行次采样，从而产生假信号，或把频谱成分的上半部分翻回到ADC的内奎斯特带宽。在最后组合步骤中，本质上是和除以2，这一函数把输入幅度返回原始值，另外会影响整个采集的噪声平均，从而进一步降低测量通道的总噪声。”
图5 ATI通道方框图
总之，ATI技术提供了一种杰出的扩展商用ADC器件性能的方法，提供了最高的信号保真度，保持最低的噪声电平。当然，客户不在乎你用什么技术来做示波器，而是在乎信号完整度、低噪声等关键指标。
不管是70 GHz DPO70000SX示波器，还是六合一MDO3000混合域示波器，或者是DMM7510图形采样万用表，都是泰克为满足行业的各种需求而推出的。徐总总结到：“工业4.0时代将诞生更多的测试测量的新需求和挑战，帮助中国工程师实现自主创新，迎接工业4.0的到来。”
泰克示波器产品链接：http://www.hncsw.net/plus/list.php?tid=58
就在《中国制造2025》出来的第二天，泰克在京举办了创新论坛，而主题恰好就是“工业4.0时代的测试测量”。泰克大中华区市场总监徐贇先生和泰克中国区销售总监宋磊先生与参会工程师们分享了许多与中国、与工业相关的小故事，以及泰克针对工业4.0的最新技术。
图1 泰克大中华区市场总监徐贇先生
图2 泰克中国区销售总监宋磊先生
“今年是泰克在中国市场的第30个年头，已经为中国提供几十万台测试仪器，其中的使用者就不乏工业领域的客户。”宋磊先生感慨到，“无论推出什么产品，无论针对哪个行业，泰克一直秉承创新性、可靠性和界面友好这三点。19世纪70年代，在中国的卫星地面站和广播站就开始用泰克的设备，前阵子我去参观，发现经历了40多年，有的设备还在使用，并且指标与当时的一样，足以证明我们设备是多么可靠。”
秉承创新理念，拓展新领域
泰克近些年收购了BERTScope、Optametra、吉时利、Picosecond Pulse Labs以拓展新领域，为客户提供更完善的解决方案。在2010年收购与其“同年生”的吉时利（KEITHLEY）时，引起了业内不小的震动。宋磊先生强调了此次收购为泰克带来的好处：“现在泰克可以提供从皮安倍（pA）、纳伏（nV）到吉赫兹（GHz）这样最高带宽的测量，并且从工程师使用的电子测量仪器拓展到半导体、新材料领域的测量。也即从广度和深度上都助泰克一臂之力，巩固行业地位。”
当然，创新是需要资金支持的。宋总透露：“泰克持续加大投入，2014年的研发投资占产品销售收入的19%。并且现在的收入多半来自过去3年推出的新产品，这些都是对手不能比的。泰克还使用了入选哈佛大学教程的丹纳赫商业体系（DBS）工具，用于精益生产和保证品质。此外，泰克与IBM自1996年就建立了合作关系，与IBM共同研究的锗硅(GeSi)芯片制造技术将用于未来10年的高带宽、低噪声测试产品中，例如用于预放大器和跟踪/保持采集系统。”
工业4.0那么大，你怎么进入呢？四个关键点
工业4.0有智慧工厂和智能生产两大主题，徐贇先生认为工业4.0就是智能和互联互通，智能是特征，互联互通是手段，而传感技术是创新。因为过去我们说的智能总是集中在处理器这样的后端，现在传感器这样的前端已经成为创新的主力军。徐总把高大上的工业4.0更具体地分解成4个我们能接触和理解的技术：（1）计算，包括高带宽、大数据和云计算；（2）通信，包括总线通信、无线通信和光通信；（3）基于计算和通信的控制，包括功耗监测、信号完整性和实时频谱等；（4）贯穿各个方面的智能。从以上也可以看出智能互联时代的趋势和挑战：无处不在的无线技术、对更高带宽的持续需求、提高能源效率、视频无处不在。
徐总解释到：“现在很多设备都带有无线功能，并且带宽越来越高，信号更复杂；此外，真正的混合域应用正成为趋势，工程师要在一个设计中提供模拟信号和数字信号。以上这些都使得你即便不是RF工程师也必须做好无线。泰克为分析随时间变化的超宽带宽RF/微波信号提供革命性RF产品，如实时频谱分析仪、混合域示波器等，并提供了整体RF测试方案，以应对最苛刻的设计挑战树立信心。”
总理都催着提高网速了，可见对更高的带宽的需求多么强烈，而高带宽对数据完整性提供了很高的要求。泰克包括示波器、误码率测试仪、光波信号分析仪等在内的测量设备为高速计算机和通信系统设计提供准确的测试结果，简化串行标准测试复杂程度。泰克更是隆重推出了采用ATI（异步时序交织）技术的70 GHz实时示波器，这个将在后面详细介绍。
泰克和吉时利提供从元器件检定到电源系统验证的各种测量解决方案。覆盖芯片、无线设备、可穿戴设备等领域极具挑战的低功耗测试，例如低电压低电源测试、待机功耗测试等，以帮助提高能源效率。
你知道吗？泰克一直是视频设备的领导者，徐总给记者扫了一下盲：“现在的转播车中都有泰克的设备。电视没信号时的“雪花片”都是泰克发明的。伴随着4K的发展，从内容创建到传送，泰克提供各种测量解决方案。”
从高带宽示波器开始工业4.0之旅
从发明示波器开始，泰克就一直引领示波器的世界标准，现在每10个工程师中就有8个使用泰克的示波器，在工业4.0时代，示波器也必须要改进，以帮助工程师们加速调试未来设计。泰克秉承创新理念，进行大刀阔斧的改革，最新推出了世界上第一台70 GHz采用ATI的高性能实时示波器DPO70000SX系列，其代表着全新示波器的开始。
在泰克已经23年的资深行销工程师Mike Martin特意来到中国向详细介绍了这款高带宽示波器，他说到：“这不是小改进，而是新纪元，未来许多新仪器也将基于这种平台。其采用低噪声ATI结构，具有业内最紧凑的封装、可扩充的/灵活的多台系统以及同类最优秀的信号捕获功能。凭借异步时序交织(ATI)技术，泰克再度推进示波器行业发展。”
DPO70000SX系列的主要指标包括：70GHz模拟带宽（<6 ps上升时间，可选为双通道，每通道33 GHz带宽）、200 GS/s采样率、100fs抖动噪底、≥25GHz边沿触发带宽、存储深度达1 GHz。
它是业内封装最紧凑的高性能示波器，有效利用机架空间，通道数量更高，能够把两台示波器堆叠在同一个空间，变成标准台式示波器；灵活地放置在DUT附近，缩短电缆长度，保持与DUT的信号保真度，支持灵活的显示选项和分析控件。
Martin介绍到：“凭借创新的UltraSync架构，DPO70000SX支持高性能同步和控制总线，支持多台配置；并且配置灵活，有精确的多通道同步定时，设计时的目标是<500 fs通道间抖动，实际上达到了250 fs，这比当今任何多通道示波器都更好；UltraSync电缆简化系统连接；分布式处理技术，提高分析速度，即每台仪器是对等的关系（非主从），进行并行处理，可将结果显示在一个界面上。用于对高速信号和高存储深度的测量。
目前，在远距离网络光调制分析领域，400G波特要求更快的示波器（包括能够同步多台高性能示波器）；在基础科研应用中，需要准确地捕获高带宽单次信号；在宽带雷达、高级RF通信，需要Kband（40GHz）测试和验证，而频谱分析仪不能满足这一需求；在高速数据通信领域，业内正在转向56Gb，需要验证芯片和系统模块。而DPO70000SX系列可以满足这些领域的所有苛刻需求。
图3 两台DPO70000SX系列搭建的测试系统，右边为统一界面，左边为可选的操控台
详解ATI与混频的区别和优势
现在，光通信的速率通常设计为100 Gb/s及以上，不久的将来，研究设计目标已经达到1 Tb/s。随着带宽的要求的不断提高，找到满足内奎斯特定理要求的ADC变成更大的挑战。在ADC突破瓶颈之前，泰克认为基于ATI技术的高性能实时示波器是必然之选。通过使用两个ADC采样整个频谱，DPO70000SX示波器平均数据，提供了最低噪声和最优性能。
Martin详细描述了之前的一些技术方案：“为了拓展带宽，时间隔行扫描是一种常用技术。随着采样率的提高，随机噪声会均匀分布到新的内奎斯特带宽上。泰克的竞争对手在高带宽示波器上采用数字带宽隔行扫描，对于示波器设计人员来说，其主要优势是每台ADC的采样率只需大于总带宽。但是这种设计面临许多挑战。一旦采集结束，数据放入波形内存，那么必须使用DSP把上方频段上变频回到原始频率范围。恢复两个‘一半’频谱、重建波形非常复杂。由于路径并不是完全一样，因此必须在抵消中补偿这些差异，抵消则是DSP的一部分。此外，由于两个‘一半’频谱中使用急剧的带通滤波器，因此恢复频谱的具体中心存在问题。在重复区域可能有平坦度问题，在该点上相位线性度也有问题。噪声PSD会均匀分布在采样通道的内奎斯特带宽上。事实上，使用频率交织时，噪声会提高，而且没有在保持带宽不变的情况下去降低噪声的机会。”
图4 混频器的采样通道实例
ATI中完全对称的路径实现理想的性能匹配；每条路径数字化整个信号，而不只是一半；重建增加了两份整个信号，可以除以2进行平均，使噪声下降3dB。Martin对ATI的原理进行了细致的解释：“在异步时序交织（ATI）技术中，预采样器作为谐波混频器。框图如下图所示。需要说明的是：路径是对称的，ATI中使用两个ADC采样整个频谱，信号的整个带宽都被应用到两个ADC，这样，噪声的功率谱密度均匀分布到总采样率中（每个ADC采样率的2倍），结果，通带中的整体噪声要低于类似频率交织结构中的噪声。这种设计采用预采样器，故意对输入信号进行次采样，从而产生假信号，或把频谱成分的上半部分翻回到ADC的内奎斯特带宽。在最后组合步骤中，本质上是和除以2，这一函数把输入幅度返回原始值，另外会影响整个采集的噪声平均，从而进一步降低测量通道的总噪声。”
图5 ATI通道方框图
总之，ATI技术提供了一种杰出的扩展商用ADC器件性能的方法，提供了最高的信号保真度，保持最低的噪声电平。当然，客户不在乎你用什么技术来做示波器，而是在乎信号完整度、低噪声等关键指标。
不管是70 GHz DPO70000SX示波器，还是六合一MDO3000混合域示波器，或者是DMM7510图形采样万用表，都是泰克为满足行业的各种需求而推出的。徐总总结到：“工业4.0时代将诞生更多的测试测量的新需求和挑战，帮助中国工程师实现自主创新，迎接工业4.0的到来。”
泰克示波器产品链接：http://www.hncsw.net/plus/list.php?tid=58
