下一代测试仪器的发展方向第四代仪器

　　作者：严波，RIGOL 首席技术官(CTO)，中国高端仪器 芯片设计专家。主导设计并量产了中国第一款，高速数字示波器 芯片组＂凤凰座＂，并定义了测试仪器的下一代发展方向。
　　1、工程师的需求
　　大家上午好，我是RIGOL StationMAX成员，严波，接下来由我给大家分享最新的项目成果。首先我们来看一张图，这是一个很典型的，由多台测试测量仪器 组成的系统。
　　图1 多台仪器测试系统
　　这个系统有几个特点：
　　●第一个特点，由多台仪器组成，这些仪器彼此连接传输数据，系统的组成非常复杂；
　　●第二个特点，贵！现在这个图上的所有的设备市场价值相加，在百万元人民币以上。为什么会这样呢？我们所熟悉的测试测量仪器产品，如数字示波器、信号发生器、任意波形发生器和矢量网络分析仪等，功能比较固定，专用化，价格昂贵。当我们需要组建一个测试系统时，需要针对每个测量应用来选择测量设备，每增加一个应用，就要增加一笔额外的投资。这样造成了什么问题呢？我们设备的投入产出比，比较低。
　　为了组合这些不同的仪器，就需要很多专业的知识。我们应该如何选择设备？不同厂家的设备如何互联？这些问题，让测试系统搭建非常复杂。
　　我们在思考一个问题，如何简化测试系统的搭建？能不能做一个，更加一体化的系统，解决工程师在测试中遇到的问题。针对这个思考，我们考察了一些典型的测试场景，一个通常的测试应用中，应该包含哪些测试条件和测试方法。
　　以一个高速串行测试系统为例，通常需要包含以下几个部分：发射机，接收机，以及连接发射机和接收机之间的传输电缆。在测试发射机的时，我们需要使用示波器对发射机进行眼图、抖动分析，以及协议解密；在测试接收机的时，我们需要给接收机注入一个可变的信号，可以采用任意波形发生器，在测试过程中，可能增加干扰、抖动来进行压力测试。总之，一个典型的收发一体+信道测试的测试系统，需要具备以下几个功能：接收机用来测试发射端，发射机用来测试接收端，网络分析/阻抗测试用来测试信号传输链路。
　　图2 典型串行信道和信号测试
　　2、如何解决问题
　　通过这些思考和总结，我们提出了自己的一个构想，来解决最开始的问题。我们觉得全新的产品应该是，一个收发一体化的平台；另外，它的功能不应该是由硬件来决定，而是由软件来决定；最好，它的操作上，不要像类似于虚拟仪器，买回来还需要编程，我们希望买回来上电即用。
　　图3 我们的构想
　　具体这个产品应该做成什么样？我们也参考了电子产品发展历程，来寻找灵感。如下图所示，这是个人无线通讯产品的发展历程。最开始是模拟手机，功能非常单一，只能打电话。随着半导体技术和数字蜂窝技术的发展，出现了GSM手机。在功能手机时代，大家可能还有印象，满大街都是这样的功能手机，在手机上的叠加了各种功能：MP3、彩铃、拍照等等。走到卖手机的店里面，选择困难症就犯了。直到有一天，智能手机诞生了，这个繁荣的2G功能手机市场，瞬间归于平静。原来有无数的功能手机厂商，在这个市场上非常的热闹，到了智能手机时代，手机厂商越来越少。为什么呢？因为智能手机它提供了一个硬件平台，而功能是由软件定义的。
　　图4 电子产品的发展历程
　　我们看到，这也许，将是我们仪器发展的一个趋势。我们再来看一下，仪器行业的发展过程。在1940年代及之前，大部分仪器都是使用电子管，它的功能非常单一，被测信号以发光的形式，将信号的状态呈现给使用者，它无法完成多台仪器的互通。而这个信息收集过程，就需要实验员来完成了，这样非常低效。到了1960年代，随着计算机技术的发展，出现了通过计算机通信接口互联的多台仪器系统。后来，技术进一步进步，到了1980年代，出现了模块化仪器系统，它提供了更好的自动化测试能力。另外，模块化仪器是由板卡组成的，可以通过组合不同的板卡来实现不同的功能。在这个发展过程中，我们看到了仪器的发展趋势，是逐步地由单一功能->到组合功能->再到一体化功能，这么一个趋势。
　　图5 仪器行业发展历程
　　3、如何构建第四代仪器
　　根据上面的多次思考，我们也构想了，应该做成什么样。
　　首先，第四代仪器应该是由功能非常强大的收发通道组成的仪器，在组合过程中，需要将2个通道形成互相协调的特性。要实现这个互相协调特性，就需要有一个非常高的内部数据传输和处理能力。我们计算过，要实现4G带宽的系统话，至少需要440Gbps的数据传输和处理能力。最重要的一点，它的功能，不应该是由硬件决定，而应该是像智能手机一样，通过安装APP，由软件来决定它的功能。
　　而作为一台仪器，它的信息样本需要包含两项关键信息：1、信号的幅度；2、信号的时间。过往单通道的仪器，时间精度比较容易保证。但是在复杂的测试系统，就存在多个测量通道之间时间的同步关系，这个同步关系只有在一定精度内，整个收发系统的协调和配合才能达到一定的使用性。在我们调研过程中，一般认为多个时间系统的时间同步性需要达到10ps，才能满足需求。
　　图6 应该做成什么样
　　做了这么多的概念预研，说干就干，这就是RIGOL的特点，敢想！能干！
　　当我们需要有计划、有步骤地实现这个目标，我们经过了10年的ASIC技术积累，突破了宽带信息采样的关键芯片技术。为了能将收发系统有机地集到一起，我们在方案打磨方面，完成10个以上方案的讨论、改进和验证。刚才也提到了很多关键的技术点，这些技术包括：宽带采样、高速信号合成，以及多路信号之间的精确度同步。在产品研发过程中，我们至少有10个以上关键技术的突破，这些技术融合成一款新的仪器，我们认为它应该是仪器发展过程中，有自己地位的一款产品。
　　图7 如何做到
　　从1940年代及之前的第一代仪器，到1960年代第二代组合仪器，再到1980年代第三代模块化的软件定义仪器，现在，2020年，第四代仪器应该是什么样的？
　　图8 仪器系统将如何再次演进
　　请看大屏幕，第四代仪器，一体化软件可定义仪器！打破传统仪器功能固定、测试系统组合复杂的局限性，实现了由不同＂App＂软件来定义仪器功能的新突破。
　　图9 第四代仪器
　　Max70000系列时域工作站，业界首台一体化软件可定义时域工作站。在单台仪器上，通过收发通道的互相组合，能够同时进行发送、接收以及阻抗的测量，单台仪器即可作为一个完整的测试系统。
　　图10 Max70000系列时域工作站
　　Max70000系列时域工作站是基于全新的StationMax®硬件平台实现的。我们来看一下StationMax®硬件平台是如何运作的。
　　该平台包含两个部分：
　　1、基础硬件层，这个基础硬件层包含：宽带接收机、宽带发射机、宽带收发间的信号处理和传输能力、强大的数字信号处理功能、一个6核64位的处理器确保软件的顺畅运行。
　　2、在这个基础硬件层之上，是它的第二部分，我们构建了一个可重构的硬件层，它用来实时处理收发两个系统所产生的信息，目前已经集成了SiFi III、UltraVision III、UltraReal这三种关键技术，未来将会有更多技术集成进来。
　　强大的硬件平台为我们提供了基础，我们想通过APP的方式改变仪器的功能，实现客户不同的应用需求。为了方便这个过程，我们增加了开放式API架构，在开放式API架构之上，才是我们的测量应用软件。它既可以是一台示波器、也可以是信号源，还可以是矢量网络分析仪等等。
　　图11 StationMax®硬件平台
　　我们可以想象一下，当拥有了4G带宽的接收机、5G带宽的发射机、以及440 Gbps以上强大的运算能力，它还能帮助我们做些什么？这个问题，需要我们进一步探索，就像第一代智能手机诞生后，应用也开始了剧烈的爆发。我们仪器也将进入一个新的时代。
　　最后，让我们来一起看一下StationMax®硬件平台的参数，基础硬件性能部分，我们有4个接收通道、4个发射通道、接收通道的带宽可达4G、发射通道的带宽可达5G、接收通道的采样率可达20 GSa/s。而且，在幅度测量方面，它的精度可变，8-16bit垂直分辨率可变，能实现高精度、高速的采样。而他的信号合成分辨率达到了16bit，即使在非常宽的带宽内，都能产生非常精细的信号。可重构硬件性能部分，我们提供了2000GMAC/s和440 Gbps内部互联带宽。
　　图12 StationMax®硬件平台的参数
　　随着第四代仪器的诞生，＂XX测试仪器＂可能成为历史，就像我们买手机一样，我们不会问你的手机有什么功能，大家都知道它是一台智能手机。未来，我们买仪器也不会问，它是一台示波器，还是一台AWG，以及……。它只有一个名字，＂仪器＂——软件可定义仪器！