Hohe Bandbreiten Weniger Rauschen durch ATI

Eine neue Technik verringert Fehler und das Rauschen bei den Echtzeit-Digital-Oszilloskopen.
Eine neue Technik verringert Fehler und das Rauschen bei den Echtzeit-Digital-Oszilloskopen.

Immer höhere Datenraten erfordern Oszilloskope mit immer höheren Bandbreiten. In modernen Echtzeit-Digital-Oszilloskopen wird das ­Signal in zwei Bandbereiche aufgespalten, getrennt verarbeitet und ­digital zusammengesetzt. Eine neue Technik verringert die dabei ­auftretenden Fehler und das Rauschen.

Durch immer höhere Datenkommunikationsraten werden Echtzeit-Oszilloskope mit sehr hoher Bandbreite im Bereich 60 bis 70 GHz benötigt. Diese Instrumente sind beispielsweise bei der Validierung und dem Debugging von neuen Designs zur Analyse einer kohärenten optischen Modulation, in der Hochenergiephysik-Forschung, der Hochgeschwindigkeits-Datenkommunikation und anderen Anwendungen mit extrem hoher Bandbreite unverzichtbar.

Die Bandbreite von Echtzeit-Digital-Oszilloskopen wird durch die Abtastrate des verwendeten Analog-Digital-Umsetzers (ADC) begrenzt. Nach dem Nyquist-Shannon-Abtasttheorem muss die Abtastrate mindestens doppelt so groß sein wie die Frequenzbandbreite des Signals. Zur Erweiterung der Bandbreite bei gleichem ADC wurde schon früh die Frequenz-Interleaving-Technologie eingesetzt (Bild 1).

Dazu wird beim Oszilloskop-Kanal die Frequenz eines Überlagerungsoszillators auf die Mitte der Bandbreite des Analog-Front-End eingestellt. Dann lässt sich die untere Hälfte des Oszilloskop-Durchlassbereichs mit einem ADC erfassen. Gleichzeitig werden die Frequenzen der oberen Hälfte in den unteren Bandbereich geschoben und mit einem anderen ADC erfasst. Die Rekonstruktion des Gesamtsignals durch das Zusammensetzen der oberen und unteren spek­tralen Hälfte übernimmt in modernen Echtzeit-Digital-Oszilloskopen ein DSP (Digital Signal Processor). Die erste komplett ins Oszilloskop integrierte Variante des Frequenz-Interleaving-Verfahrens wurde Digital Bandwidth Interleaving (DBI) genannt.

Allerdings gibt es bei diesem Design-Ansatz auch gewisse Herausforderungen. Sobald die Aufzeichnung abgeschlossen ist und die Daten im Signalspeicher liegen, muss das obere Band mit Hilfe von digitalen Signalverarbeitungstechniken zurück in den ursprünglichen Frequenzbereich gebracht werden. Die Wiederherstellung der beiden spektralen Hälften und die Rekonstruktion des Signals sind kompliziert.

Weil die Pfade nicht identisch sind, müssen diese Differenzen mittels Kalibrierung kompensiert werden, was ebenfalls der DSP übernimmt. Außerdem ist wegen der zur Trennung der beiden spektralen Hälften benötigten steilen Bandfilter die Wiederherstellung des genauen Zen­trums des Spektrums problematisch, da es gewisse Verschiebungen bei der Amplituden- und Phasenlinearität geben kann. Jeder ADC sieht nur die Hälfte des Frequenzspektrums und wegen des Rekonstruktionsprozesses, der eine Summenbildung der beiden getrennten Pfade umfasst, ist keine Verbesserung beim Störabstand möglich.