作者：嚴(yán)波，RIGOL 首席技術(shù)官(CTO)，中國高端儀器芯片設(shè)計(jì)專家。主導(dǎo)設(shè)計(jì)并量產(chǎn)了中國第一款，高速數(shù)字示波器芯片組“鳳凰座”，并定義了測試儀器的下一代發(fā)展方向。

1、工程師的需求

大家上午好，我是RIGOL StationMAX成員，嚴(yán)波，接下來由我給大家分享最新的項(xiàng)目成果。首先我們來看一張圖，這是一個(gè)很典型的，由多臺(tái)測試測量儀器組成的系統(tǒng)。

圖1 多臺(tái)儀器測試系統(tǒng)

這個(gè)系統(tǒng)有幾個(gè)特點(diǎn)：

●第一個(gè)特點(diǎn)，由多臺(tái)儀器組成，這些儀器彼此連接傳輸數(shù)據(jù)，系統(tǒng)的組成非常復(fù)雜；

●第二個(gè)特點(diǎn)，貴！現(xiàn)在這個(gè)圖上的所有的設(shè)備市場價(jià)值相加，在百萬元人民幣以上。為什么會(huì)這樣呢？我們所熟悉的測試測量儀器產(chǎn)品，如數(shù)字示波器、信號(hào)發(fā)生器、任意波形發(fā)生器和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀等，功能比較固定，專用化，價(jià)格昂貴。當(dāng)我們需要組建一個(gè)測試系統(tǒng)時(shí)，需要針對(duì)每個(gè)測量應(yīng)用來選擇測量設(shè)備，每增加一個(gè)應(yīng)用，就要增加一筆額外的投資。這樣造成了什么問題呢？我們?cè)O(shè)備的投入產(chǎn)出比，比較低。

為了組合這些不同的儀器，就需要很多專業(yè)的知識(shí)。我們應(yīng)該如何選擇設(shè)備？不同廠家的設(shè)備如何互聯(lián)？這些問題，讓測試系統(tǒng)搭建非常復(fù)雜。

我們?cè)谒伎家粋€(gè)問題，如何簡化測試系統(tǒng)的搭建？能不能做一個(gè)，更加一體化的系統(tǒng)，解決工程師在測試中遇到的問題。針對(duì)這個(gè)思考，我們考察了一些典型的測試場景，一個(gè)通常的測試應(yīng)用中，應(yīng)該包含哪些測試條件和測試方法。

以一個(gè)高速串行測試系統(tǒng)為例，通常需要包含以下幾個(gè)部分：發(fā)射機(jī)，接收機(jī)，以及連接發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的傳輸電纜。在測試發(fā)射機(jī)的時(shí)，我們需要使用示波器對(duì)發(fā)射機(jī)進(jìn)行眼圖、抖動(dòng)分析，以及協(xié)議解密；在測試接收機(jī)的時(shí)，我們需要給接收機(jī)注入一個(gè)可變的信號(hào)，可以采用任意波形發(fā)生器，在測試過程中，可能增加干擾、抖動(dòng)來進(jìn)行壓力測試。總之，一個(gè)典型的收發(fā)一體+信道測試的測試系統(tǒng)，需要具備以下幾個(gè)功能：接收機(jī)用來測試發(fā)射端，發(fā)射機(jī)用來測試接收端，網(wǎng)絡(luò)分析/阻抗測試用來測試信號(hào)傳輸鏈路。

圖2 典型串行信道和信號(hào)測試

2、如何解決問題

通過這些思考和總結(jié)，我們提出了自己的一個(gè)構(gòu)想，來解決最開始的問題。我們覺得全新的產(chǎn)品應(yīng)該是，一個(gè)收發(fā)一體化的平臺(tái)；另外，它的功能不應(yīng)該是由硬件來決定，而是由軟件來決定；最好，它的操作上，不要像類似于虛擬儀器，買回來還需要編程，我們希望買回來上電即用。

圖3 我們的構(gòu)想

具體這個(gè)產(chǎn)品應(yīng)該做成什么樣？我們也參考了電子產(chǎn)品發(fā)展歷程，來尋找靈感。如下圖所示，這是個(gè)人無線通訊產(chǎn)品的發(fā)展歷程。最開始是模擬手機(jī)，功能非常單一，只能打電話。隨著半導(dǎo)體技術(shù)和數(shù)字蜂窩技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了GSM手機(jī)。在功能手機(jī)時(shí)代，大家可能還有印象，滿大街都是這樣的功能手機(jī)，在手機(jī)上的疊加了各種功能：MP3、彩鈴、拍照等等。走到賣手機(jī)的店里面，選擇困難癥就犯了。直到有一天，智能手機(jī)誕生了，這個(gè)繁榮的2G功能手機(jī)市場，瞬間歸于平靜。原來有無數(shù)的功能手機(jī)廠商，在這個(gè)市場上非常的熱鬧，到了智能手機(jī)時(shí)代，手機(jī)廠商越來越少。為什么呢？因?yàn)橹悄苁謾C(jī)它提供了一個(gè)硬件平臺(tái)，而功能是由軟件定義的。

圖4 電子產(chǎn)品的發(fā)展歷程

我們看到，這也許，將是我們儀器發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。我們?cè)賮砜匆幌拢瑑x器行業(yè)的發(fā)展過程。在1940年代及之前，大部分儀器都是使用電子管，它的功能非常單一，被測信號(hào)以發(fā)光的形式，將信號(hào)的狀態(tài)呈現(xiàn)給使用者，它無法完成多臺(tái)儀器的互通。而這個(gè)信息收集過程，就需要實(shí)驗(yàn)員來完成了，這樣非常低效。到了1960年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了通過計(jì)算機(jī)通信接口互聯(lián)的多臺(tái)儀器系統(tǒng)。后來，技術(shù)進(jìn)一步進(jìn)步，到了1980年代，出現(xiàn)了模塊化儀器系統(tǒng)，它提供了更好的自動(dòng)化測試能力。另外，模塊化儀器是由板卡組成的，可以通過組合不同的板卡來實(shí)現(xiàn)不同的功能。在這個(gè)發(fā)展過程中，我們看到了儀器的發(fā)展趨勢(shì)，是逐步地由單一功能->到組合功能->再到一體化功能，這么一個(gè)趨勢(shì)。

圖5 儀器行業(yè)發(fā)展歷程

3、如何構(gòu)建第四代儀器

根據(jù)上面的多次思考，我們也構(gòu)想了，應(yīng)該做成什么樣。

首先，第四代儀器應(yīng)該是由功能非常強(qiáng)大的收發(fā)通道組成的儀器，在組合過程中，需要將2個(gè)通道形成互相協(xié)調(diào)的特性。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)互相協(xié)調(diào)特性，就需要有一個(gè)非常高的內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸和處理能力。我們計(jì)算過，要實(shí)現(xiàn)4G帶寬的系統(tǒng)話，至少需要440Gbps的數(shù)據(jù)傳輸和處理能力。最重要的一點(diǎn)，它的功能，不應(yīng)該是由硬件決定，而應(yīng)該是像智能手機(jī)一樣，通過安裝APP，由軟件來決定它的功能。

而作為一臺(tái)儀器，它的信息樣本需要包含兩項(xiàng)關(guān)鍵信息：1、信號(hào)的幅度；2、信號(hào)的時(shí)間。過往單通道的儀器，時(shí)間精度比較容易保證。但是在復(fù)雜的測試系統(tǒng)，就存在多個(gè)測量通道之間時(shí)間的同步關(guān)系，這個(gè)同步關(guān)系只有在一定精度內(nèi)，整個(gè)收發(fā)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)和配合才能達(dá)到一定的使用性。在我們調(diào)研過程中，一般認(rèn)為多個(gè)時(shí)間系統(tǒng)的時(shí)間同步性需要達(dá)到10ps，才能滿足需求。

圖6 應(yīng)該做成什么樣

做了這么多的概念預(yù)研，說干就干，這就是RIGOL的特點(diǎn)，敢想！能干！

當(dāng)我們需要有計(jì)劃、有步驟地實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，我們經(jīng)過了10年的ASIC技術(shù)積累，突破了寬帶信息采樣的關(guān)鍵芯片技術(shù)。為了能將收發(fā)系統(tǒng)有機(jī)地集到一起，我們?cè)诜桨复蚰シ矫?，完?0個(gè)以上方案的討論、改進(jìn)和驗(yàn)證。剛才也提到了很多關(guān)鍵的技術(shù)點(diǎn)，這些技術(shù)包括：寬帶采樣、高速信號(hào)合成，以及多路信號(hào)之間的精確度同步。在產(chǎn)品研發(fā)過程中，我們至少有10個(gè)以上關(guān)鍵技術(shù)的突破，這些技術(shù)融合成一款新的儀器，我們認(rèn)為它應(yīng)該是儀器發(fā)展過程中，有自己地位的一款產(chǎn)品。

圖7 如何做到

從1940年代及之前的第一代儀器，到1960年代第二代組合儀器，再到1980年代第三代模塊化的軟件定義儀器，現(xiàn)在，2020年，第四代儀器應(yīng)該是什么樣的？

圖8 儀器系統(tǒng)將如何再次演進(jìn)

請(qǐng)看大屏幕，第四代儀器，一體化軟件可定義儀器！打破傳統(tǒng)儀器功能固定、測試系統(tǒng)組合復(fù)雜的局限性，實(shí)現(xiàn)了由不同“App”軟件來定義儀器功能的新突破。

圖9 第四代儀器

Max70000系列時(shí)域工作站，業(yè)界首臺(tái)一體化軟件可定義時(shí)域工作站。在單臺(tái)儀器上，通過收發(fā)通道的互相組合，能夠同時(shí)進(jìn)行發(fā)送、接收以及阻抗的測量，單臺(tái)儀器即可作為一個(gè)完整的測試系統(tǒng)。

圖10 Max70000系列時(shí)域工作站

Max70000系列時(shí)域工作站是基于全新的StationMax®硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的。我們來看一下StationMax®硬件平臺(tái)是如何運(yùn)作的。

該平臺(tái)包含兩個(gè)部分：

1、基礎(chǔ)硬件層，這個(gè)基礎(chǔ)硬件層包含：寬帶接收機(jī)、寬帶發(fā)射機(jī)、寬帶收發(fā)間的信號(hào)處理和傳輸能力、強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理功能、一個(gè)6核64位的處理器確保軟件的順暢運(yùn)行。

2、在這個(gè)基礎(chǔ)硬件層之上，是它的第二部分，我們構(gòu)建了一個(gè)可重構(gòu)的硬件層，它用來實(shí)時(shí)處理收發(fā)兩個(gè)系統(tǒng)所產(chǎn)生的信息，目前已經(jīng)集成了SiFi III、UltraVision III、UltraReal這三種關(guān)鍵技術(shù)，未來將會(huì)有更多技術(shù)集成進(jìn)來。

強(qiáng)大的硬件平臺(tái)為我們提供了基礎(chǔ)，我們想通過APP的方式改變儀器的功能，實(shí)現(xiàn)客戶不同的應(yīng)用需求。為了方便這個(gè)過程，我們?cè)黾恿碎_放式API架構(gòu)，在開放式API架構(gòu)之上，才是我們的測量應(yīng)用軟件。它既可以是一臺(tái)示波器、也可以是信號(hào)源，還可以是矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀等等。

圖11 StationMax®硬件平臺(tái)

我們可以想象一下，當(dāng)擁有了4G帶寬的接收機(jī)、5G帶寬的發(fā)射機(jī)、以及440 Gbps以上強(qiáng)大的運(yùn)算能力，它還能幫助我們做些什么？這個(gè)問題，需要我們進(jìn)一步探索，就像第一代智能手機(jī)誕生后，應(yīng)用也開始了劇烈的爆發(fā)。我們儀器也將進(jìn)入一個(gè)新的時(shí)代。

最后，讓我們來一起看一下StationMax®硬件平臺(tái)的參數(shù)，基礎(chǔ)硬件性能部分，我們有4個(gè)接收通道、4個(gè)發(fā)射通道、接收通道的帶寬可達(dá)4G、發(fā)射通道的帶寬可達(dá)5G、接收通道的采樣率可達(dá)20 GSa/s。而且，在幅度測量方面，它的精度可變，8-16bit垂直分辨率可變，能實(shí)現(xiàn)高精度、高速的采樣。而他的信號(hào)合成分辨率達(dá)到了16bit，即使在非常寬的帶寬內(nèi)，都能產(chǎn)生非常精細(xì)的信號(hào)。可重構(gòu)硬件性能部分，我們提供了2000GMAC/s和440 Gbps內(nèi)部互聯(lián)帶寬。

圖12 StationMax®硬件平臺(tái)的參數(shù)

隨著第四代儀器的誕生，“XX測試儀器”可能成為歷史，就像我們買手機(jī)一樣，我們不會(huì)問你的手機(jī)有什么功能，大家都知道它是一臺(tái)智能手機(jī)。未來，我們買儀器也不會(huì)問，它是一臺(tái)示波器，還是一臺(tái)AWG，以及……。它只有一個(gè)名字，“儀器”——軟件可定義儀器！