隨著行動網際網路、物聯網、雲端儲存等各種應用領域對資料需求的爆發性提高，網路營運商一直在尋求各種方法，提高現有光網路、有線和無線網路的資料輸送量。
為實現超高頻寬、更高發射速率和更複雜的調變格式的系統設計測試需求，在測試設備選擇方面為設計人員帶來了各種新挑戰。當儀器商為客戶建議合適的測試解決方案時，時常聽到兩大需求，首先是，希望DP-QPSK專案需要移轉到更高的頻寬，故需要4條低雜訊模組轉換器通道；再者，當低位準訊號是40～50mVpp，則需要5mV垂直解析度量測及低雜訊。前者是來自某電信製造商網路設計師的回饋，而後者是某網路公司的高級硬體工程師。
事實上，這幾乎代表著當前高階系統設計中面臨的普遍現實—滿足超高頻寬系統設計中更個性化的測試挑戰。對於高速通訊應用，通常還能聽到一些需求，包含在收發器設計中可獲得更多的網路容量；時序餘裕小，要求新的抖動分離方式；希望能支援光調變分析；儀器必須提供精確的低雜訊量測功能。而對於寬頻射頻設計和除錯而言，滿足對更多檢視功能/資訊的需求、在進階雷達中部署寬頻線性調頻技術、高微波頻率在通訊連結中的使用量，以及儀器必須提供更寬的頻寬和更高的解析度。
在超高頻寬系統中，為了解決這些不同高階系統設計的測試需求，測試量測解決方案供應商面臨了多項挑戰，這推動了使用超高頻寬即時示波器來驗證、認證和除錯這些新系統設計的需求，迫使示波器設計人員擴充其即時示波器的效能，以滿足60GHz～70GHz及以上範圍的要求，而目前已有業者可滿足上述要求，如太克(Tektronix)的DPO70000SX示波器，不僅提供了高達70GHz類比頻寬的超高頻寬即時訊號擷取和分析功能，而已獲專利的非同步時序交錯(ATI)結構也確保了即時訊號擷取作業得以實現完美的訊號雜訊比和高完整性，並能展現穩定精確的多通道定時、準確的分析能力。
非同步時序交錯技術解決超高頻寬測試瓶頸
傳統即時數位示波器通道一般是採用類比前端，通常會包括一個用於訊號調節的預放置和/或衰減器，以及一個追蹤和保持裝置用來在取樣期間鎖定訊號振幅。如果類比前端能夠滿足通道的全部頻寬要求，則類比數位轉換器(ADC)的取樣速率就成為通道頻寬的主要限制。一旦頻寬要求超出了提供的ADC元件取樣速率能力，則必須找到其他技術來滿足這些擴展的要求；其中，時序交錯是一種可擴充現有元件效能的常用技術。
例如，如果類比前端能夠支援最高45GHz，則可交錯兩個50GS/s模組轉換器，以提供100GS/s轉換。其中，並未限制可交錯的ADC數量，但是，若ADC數量上升，控制交錯裝置的時序對齊將會變得非常困難。
所有的主要示波器製造商一直是採用這種時序交錯技術來實現高達GHz範圍的效能。但是，若採用頻寬交錯技術來拓展示波器的頻寬，其代價即是提高了量測通道中的雜訊。太克意識到GHz頻寬示波器中素來所使用的頻率交錯技術問題和挑戰，而採用了全新的ATI來避免包括數位頻寬交錯等多項類似交錯技術中的部分劣勢，同時仍能擴展現有的ADC頻寬。
圖1是非同步時序交錯電路的功能示意方框圖，非同步時序交錯是一種數位化整個輸入訊號頻譜的獨特方法，擁有訊號路徑對稱性、保持訊號雜訊比、提高完整性。在兩條對稱的擷取路徑中，皆針對整個輸入訊號進行數位化處理，然後採用能夠保持訊號及降低雜訊的專利方法來重組訊號。
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| 圖1 非同步交錯時序交錯電路結構方框圖 |
若比較太克DPO77002SX和另一品牌63GHz型號的基準雜訊，將兩台儀器均設定為60GHz頻寬，即可看出ATI提供了雜訊低的擷取效果。全新的主取樣時脈設計提供了65fs的超低取樣時脈抖動RMS，與ATI所提供的超低雜訊效能相結合，使DPO77002SX達到全新的抖動基準雜訊效能。在300mVFS時的JNF僅有123fs RMS，甚至能與頻寬較低的儀器匹敵(圖2)。
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| 圖2 圖中顯示了套用到ATI輸入端的60GHz正弦波抖動分析，結果顯示乾淨的眼圖隨機抖動RJ<80fs RMS。 |
超高頻寬即時訊號擷取和分析難題有解
低雜訊、高完整性訊號擷取在超寬頻寬應用中扮演著至關重要的角色，如遠距離相干光通訊、400G資料通訊和寬頻射頻通訊。太克旗艦型DPO77002SX採用ATI結構來達成70GHz和200GS/s(5ps/取樣點)即時擷取效能，並提供了低雜訊、高完整性和高效能，以支援進行複雜的光調變分析，對高速串列發訊和頻率進行抖動和雜訊分析，同時也對寬頻射頻訊號進行相位和調變分析。下面主要分析針對相干光波調變和雷達及高頻分析中DPO70000SX系列即時示波器測試的主要特點。
應用分析一：相干光調變
太克示波器特別適合對400Gbit/s和兆位元組(TB)相干光網路系統執行調變格式分析，因為獨特的結構可讓使用者增加通道或更多的頻寬來擴展儀器效能，以經濟實惠的方式測試100G(之後可再繼續擴展至400G或1Tb)。該儀器外觀精巧，可將光接收機放在距儀器輸入通道較近的位置，減少相干量測系統連接中的訊號遺失問題(圖3)。
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| 圖3 以DPO70000SX為基礎的相干光調變分析 |
如圖4所示，採用DPO70000SX示波器進行相干光波訊號分析的測試系統組態：4通道(雙極)33GHz、100GS/s、1G取樣點/通道；<500fsrms通道間抖動；可將多台示波器當作為一台儀器操作；OM4000軟體連接方式與單台示波器相同。在該組態下，由於ATI輸入通道位置和翻轉堆疊，使訊號路徑長度達到最小，從而降低損耗，使量測訊噪比(SNR)達到最大。此外，該組態支援桌上型組態或機架安裝組態，非常便於對設定進行疑難排解的程序。
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| 圖4 以DPO70000SX示波器為基礎的相干光波訊號分析儀器組態示意圖 |
由於儀器誤差向量振幅(EVM)背景雜訊越低，調變分析的準確度即越高。
DPO70000SX示波器採用了ATI技術，為支援這些量測提供了業界最低的基準雜訊。此外，系統也提供了四條完整的70GHz頻寬通道，每條通道均為200GS/s，提供了極為豐富的分析環境。在與OM4524光調變接收機結合使用時，光系統研究工程師可使用簡便的特定客戶實現方案，並採用Matlab可完全自訂的分析軟體，為非標準調變技術量身打造DPS分析和視覺化功能。
應用分析二：雷達和高頻分析
使用DPO70000SX進行高頻射頻量測的實例包括：在雷達訊號上進行線性調頻的線性度量測；在IEEE 802.11ad上進行無線量測，如60.48GHz載波頻率；監測和除錯K頻段(20∼40GHz)上的衛星通訊。
低雜訊、高頻寬DPO70000SX系列示波器特別適合以快速傅立葉轉換(FFT)為基礎的高頻量測分析。在與強大的SignalVu軟體分析選項搭配使用時，DPO70000SX可提供高達70GHz的FFT量測功能。由於可擴充的儀器結構，射頻工程師可先取得一台單通道儀器來進行單純的射頻輸入量測，然後再擴展至多台組態，以進行全方位的射頻系統驗證(圖5)。
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| 圖5 在雷達訊號上進行線性調頻線性度量測 |
在70GHz DPO70000SX上擷取低雜訊波形資料之後，可使用SignalVu解調變訊號，顯示史密斯圖和誤差向量振幅量測及其他所需的量測。SignalVu是額外的選配功能，可在多個頻域中提供詳細的分析功能，如雷達系統工作的脈衝分析和穩定時間，新興調節標準的數位調變分析和通用正交分頻多工(OFDM)分析，以及更低頻寬要求的AM/FM/PM調變和音訊量測。若利用DPO70000SX進行業界常見的雷達和高頻分析，工程師亦可獲得以下優勢：低雜訊可產生低EVM背景雜訊；70GHz可提供寬動態範圍和準確的線性調頻線性度；整合FFT和相位點陣圖產生功能，則可提供快速準確的頻域量測。
可擴展性功能助力 迎接400G市場商機
高階的測試設備不僅要能滿足目前的測試需求，採購時也應考量長遠的應用需求，特別是在目前技術反覆運算極快的光通訊和無線通訊應用等領域。儘管目前大量的相干光研發活動仍將重點放在100G，但現在所購買的系統不僅要能為100G提供適當的效能和價格，同時未來還要能擴展至400G，這是關鍵的系統採購要求。同樣地，在高頻無線通訊領域中，未來的5G通訊甚至可能會使用28、37、39、64，甚至是71GHz的訊號頻段，可擴充的DPO70000SX提供了足夠的效能餘裕，絕對可滿足目前和未來的無線通訊應用需求。
(本文作者任職於太克)