Labormesstechnik Oszilloskop-Bandbreite steigern - aber wie?

Höhere Bandbreite bei Oszilloskopen
Höhere Bandbreite bei Oszilloskopen

Dieser Beitrag vergleicht unterschiedliche Verfahren, um eine höhere Bandbreite bei Echtzeit-Oszilloskopen zu realisieren und stellt die neueste Innovation in diesem Bereich vor - das „Asynchronous Time Interleaving“.

Die Datenübertragungsraten sind in den letzten zehn Jahren in der Kommunikations- und Computertechnik um mehr als den Faktor 10 angestiegen. Übertragungsgeschwindigkeiten, die bislang bei 1 Gbit/s und darunter lagen, erreichen heute in der Regel mehr als 10 Gbit/s. Die optische Kommunikationstechnik arbeitet heute standardmäßig mit 100 Gbit/s und wird in naher Zukunft auf 1 Tbit/s steigen. Die drahtlose Hochfrequenzkommunikation verwendet Breitbandsignale im GHz-Bereich, wobei sowohl in der Hochfrequenz- als auch in der optischen Kommunikation komplexe Modulationsverfahren und Signale mit niedriger Amplitude zum Einsatz kommen, um die Anforderungen hinsichtlich der Kanalkapazität und der Regulierungsvorschriften erfüllen zu können. Für die Validierung, Zertifizierung und das Debugging dieser neuen System-Designs sind damit Echtzeit-Oszilloskope mit sehr hoher Bandbreite notwendig. Die Echtzeit-Oszilloskop-Hersteller müssen daher die obere Bandbreitengrenze neuer Gerätegenerationen auf 60 GHz bis 70 GHz und darüber erhöhen.

Der konventionelle ADC-Kanal

Bei Echtzeit-Oszilloskopen verfügt ein Messkanal normalerweise über ein analoges Frontend, das aus einem Vorverstärker und/oder Dämpfungsglied zur Signalanpassung und einer Track-and-Hold-Schaltung zur Erfassung der Signalamplitude während der Abtastperiode besteht. Ein A/D-Wandler (ADC; Analog-Digital Converter) wandelt die sequenziellen Spannungspegel dann in einen Datenstrom numerischer Werte um (Bild 1). Wenn das analoge Frontend die Bandbreiten-Anforderungen des Kanals voll unterstützt, dann wird die Bandbreite des Kanals nur noch durch die Abtastrate des ADC begrenzt. Das Nyquist-Theorem besagt, dass eine genaue Darstellung des gesamten Signalinhalts innerhalb der gewünschten Bandbreite nur möglich ist, wenn die Abtastrate mindestens doppelt so groß wie diese Bandbreite ist. Damit erfordert eine Kanalbandbreite von zum Beispiel 25 GHz eine Abtastrate von mindestens 50 GS/s. Da die notwendigen Bandbreiten immer weiter steigen, wird die Suche nach ADCs, welche diese Nyquist-Anforderung erfüllen, zur Herausforderung.

Zudem muss auch das Rauschen des ADC-Kanals berücksichtigt werden, da dies eine wichtige Grundlage für die nachfolgend beschriebenen Verfahren zur Erhöhung der Leistung eines Eingangskanals darstellt. Bild 2 zeigt die spektrale Rauschleistung in Abhängigkeit von der Frequenz.

Da das Grundrauschen per Definition den gesamten Frequenzbereich umfasst, ist die spektrale Leistungsdichte gleichmäßig über die Nyquist-Bandbreite des Instruments verteilt. Im Falle eines  Kanals mit 50 GS/s beträgt die Nyquist-Bandbreite 25 GHz. Bild 2 zeigt, dass das Bandbreiten-Begrenzungsfilter (auch Anti-Aliasing-Filter genannt) des Oszilloskops eine gewisse Rauschunterdrückung im Spektralbereich zwischen der Begrenzung des Bandbreitenfilters und der Nyquist-Bandbreite des Kanals bewirkt hat. Zeitlich verschachtelte Kanäle Sobald die Bandbreiten-Anforderungen die Abtastrate der verfügbaren ADC-Bauteile überschreiten, müssen entweder Techniken gefunden werden, mit denen diese Anforderungen mit erhältlichen Bauteilen erfüllt werden können - oder es muss eine neue Generation von ADCs entwickelt werden. Das Time Interleaving (zeitliche Verschachtelung) ist ein allgemein verwendetes Verfahren, um die Leistung der verfügbaren Bauelemente zu verbessern.

Hier wird das analoge Frontend so aufgebaut, dass die gesamte zu betrachtende Bandbreite durchgelassen wird, zudem werden zwei A/D-Wandler parallel geschaltet. Jeder ADC muss mindestens die Hälfte der insgesamt erforderlichen Abtastrate erreichen, um die Nyquist-Anforderung erfüllen zu können. Wird zum Beispiel das analoge Frontend auf bis zu 50 GHz ausgelegt, dann lässt sich mit zwei verschachtelten 50-GS/s-A/D-Wandlern (Bild 3) eine Abtastrate von 100 GS/s erreichen. In diesem Fall würden die beiden ADCs mit einem Phasenunterschied von 180 Grad getaktet.

Die Daten werden in einem Speicher hinter jedem ADC abgelegt. Sobald die Aufzeichnung abgeschlossen ist, wird die vollständige 100-GS/s-Darstellung des Signals aus diesen Daten rekon-struiert (als De-Interleaving oder Demuxing bezeichnet). 

 

Es gibt prinzipiell keine Einschränkung, wie viele ADCs verschachtelt werden können, allerdings wird die zeitliche Synchronisation mit zunehmender Anzahl der ADCs immer schwieriger. Dieses Verfahren der zeitlichen Verschachtelung wird von allen größeren Oszilloskop-Herstellern verwendet, um die Leistung in den GHz-Bereich zu erweitern.

Es ist wichtig zu wissen, dass mit zunehmender Abtastrate das Grundrauschen gleichmäßig über die Nyquist-Bandbreite verteilt ist. In Bild 4 wird die Abtastrate beispielsweise von 50 GS/s auf 100 GS/s erhöht, so dass die Nyquist-Bandbreite von 25 GHz auf 50 GHz steigt. Wenn die Rauschleistung aller zeitlich verschachtelten Kanäle gleich ist, dann halbiert sich die gleichmäßig verteilte spektrale Rauschleistungsdichte über die neue Nyquist-Bandbreite.

Natürlich ist das eigentliche Ziel der zeitlichen Verschachtelung die Erweiterung der Bandbreite des Systems durch eine höhere Bandbreite des analogen Frontends und eine höhere Abtastrate. Wenn aber die Bandbreite auf demselben Wert wie anfangs beschrieben gehalten wird (durch das gleiche Bandbreitenfilter), wird der Rauschanteil stärker gedämpft. Praktische Implementierungen dieses Ansatzes ermöglichen eine Reduzierung des Grundrauschens im Bereich von 15 bis 20 %.