作者：嚴波，RIGOL 首席技術官(CTO)，中國高端儀器芯片設計專家。主導設計并量產了中國第一款，高速數字示波器芯片組“鳳凰座”，并定義了測試儀器的下一代發展方向。
1、工程師的需求
大家上午好，我是RIGOL StationMAX成員，嚴波，接下來由我給大家分享最新的項目成果。首先我們來看一張圖，這是一個很典型的，由多臺測試測量儀器組成的系統。
圖1 多臺儀器測試系統
這個系統有幾個特點：
●第一個特點，由多臺儀器組成，這些儀器彼此連接傳輸數據，系統的組成非常復雜；
●第二個特點，貴！現在這個圖上的所有的設備市場價值相加，在百萬元人民幣以上。為什么會這樣呢？我們所熟悉的測試測量儀器產品，如數字示波器、信號發生器、任意波形發生器和矢量網絡分析儀等，功能比較固定，專用化，價格昂貴。當我們需要組建一個測試系統時，需要針對每個測量應用來選擇測量設備，每增加一個應用，就要增加一筆額外的投資。這樣造成了什么問題呢？我們設備的投入產出比，比較低。
為了組合這些不同的儀器，就需要很多專業的知識。我們應該如何選擇設備？不同廠家的設備如何互聯？這些問題，讓測試系統搭建非常復雜。
我們在思考一個問題，如何簡化測試系統的搭建？能不能做一個，更加一體化的系統，解決工程師在測試中遇到的問題。針對這個思考，我們考察了一些典型的測試場景，一個通常的測試應用中，應該包含哪些測試條件和測試方法。
以一個高速串行測試系統為例，通常需要包含以下幾個部分：發射機，接收機，以及連接發射機和接收機之間的傳輸電纜。在測試發射機的時，我們需要使用示波器對發射機進行眼圖、抖動分析，以及協議解密；在測試接收機的時，我們需要給接收機注入一個可變的信號，可以采用任意波形發生器，在測試過程中，可能增加干擾、抖動來進行壓力測試?？傊?，一個典型的收發一體+信道測試的測試系統，需要具備以下幾個功能：接收機用來測試發射端，發射機用來測試接收端，網絡分析/阻抗測試用來測試信號傳輸鏈路。
圖2 典型串行信道和信號測試
2、如何解決問題
通過這些思考和總結，我們提出了自己的一個構想，來解決最開始的問題。我們覺得全新的產品應該是，一個收發一體化的平臺；另外，它的功能不應該是由硬件來決定，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 我們的構想
具體這個產品應該做成什么樣？我們也參考了電子產品發展歷程，來尋找靈感。如下圖所示，這是個人無線通訊產品的發展歷程。最開始是模擬手機，功能非常單一，只能打電話。隨著半導體技術和數字蜂窩技術的發展，出現了GSM手機。在功能手機時代，大家可能還有印象，滿大街都是這樣的功能手機，在手機上的疊加了各種功能：MP3、彩鈴、拍照等等。走到賣手機的店里面，選擇困難癥就犯了。直到有一天，智能手機誕生了，這個繁榮的2G功能手機市場，瞬間歸于平靜。原來有無數的功能手機廠商，在這個市場上非常的熱鬧，到了智能手機時代，手機廠商越來越少。為什么呢？因為智能手機它提供了一個硬件平臺，而功能是由軟件定義的。
圖4 電子產品的發展歷程
我們看到，這也許，將是我們儀器發展的一個趨勢。我們再來看一下，儀器行業的發展過程。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，被測信號以發光的形式，將信號的狀態呈現給使用者，它無法完成多臺儀器的互通。而這個信息收集過程，就需要實驗員來完成了，這樣非常低效。到了1960年代，隨著計算機技術的發展，出現了通過計算機通信接口互聯的多臺儀器系統。后來，技術進一步進步，到了1980年代，出現了模塊化儀器系統，它提供了更好的自動化測試能力。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現不同的功能。在這個發展過程中，我們看到了儀器的發展趨勢，是逐步地由單一功能->到組合功能->再到一體化功能，這么一個趨勢。
圖5 儀器行業發展歷程
3、如何構建第四代儀器
根據上面的多次思考，我們也構想了，應該做成什么樣。
首先，第四代儀器應該是由功能非常強大的收發通道組成的儀器，在組合過程中，需要將2個通道形成互相協調的特性。要實現這個互相協調特性，就需要有一個非常高的內部數據傳輸和處理能力。我們計算過，要實現4G帶寬的系統話，至少需要440Gbps的數據傳輸和處理能力。最重要的一點，它的功能，不應該是由硬件決定，而應該是像智能手機一樣，通過安裝APP，由軟件來決定它的功能。
而作為一臺儀器，它的信息樣本需要包含兩項關鍵信息：1、信號的幅度；2、信號的時間。過往單通道的儀器，時間精度比較容易保證。但是在復雜的測試系統，就存在多個測量通道之間時間的同步關系，這個同步關系只有在一定精度內，整個收發系統的協調和配合才能達到一定的使用性。在我們調研過程中，一般認為多個時間系統的時間同步性需要達到10ps，才能滿足需求。
圖6 應該做成什么樣
做了這么多的概念預研，說干就干，這就是RIGOL的特點，敢想！能干！
當我們需要有計劃、有步驟地實現這個目標，我們經過了10年的ASIC技術積累，突破了寬帶信息采樣的關鍵芯片技術。為了能將收發系統有機地集到一起，我們在方案打磨方面，完成10個以上方案的討論、改進和驗證。剛才也提到了很多關鍵的技術點，這些技術包括：寬帶采樣、高速信號合成，以及多路信號之間的精確度同步。在產品研發過程中，我們至少有10個以上關鍵技術的突破，這些技術融合成一款新的儀器，我們認為它應該是儀器發展過程中，有自己地位的一款產品。
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，現在，2020年，第四代儀器應該是什么樣的？
圖8 儀器系統將如何再次演進
請看大屏幕，第四代儀器，一體化軟件可定義儀器！打破傳統儀器功能固定、測試系統組合復雜的局限性，實現了由不同“App”軟件來定義儀器功能的新突破。
圖9 第四代儀器
Max70000系列時域工作站，業界首臺一體化軟件可定義時域工作站。在單臺儀器上，通過收發通道的互相組合，能夠同時進行發送、接收以及阻抗的測量，單臺儀器即可作為一個完整的測試系統。
圖10 Max70000系列時域工作站
Max70000系列時域工作站是基于全新的StationMax®硬件平臺實現的。我們來看一下StationMax®硬件平臺是如何運作的。
該平臺包含兩個部分：
1、基礎硬件層，這個基礎硬件層包含：寬帶接收機、寬帶發射機、寬帶收發間的信號處理和傳輸能力、強大的數字信號處理功能、一個6核64位的處理器確保軟件的順暢運行。
2、在這個基礎硬件層之上，是它的第二部分，我們構建了一個可重構的硬件層，它用來實時處理收發兩個系統所產生的信息，目前已經集成了SiFi III、UltraVision III、UltraReal這三種關鍵技術，未來將會有更多技術集成進來。
強大的硬件平臺為我們提供了基礎，我們想通過APP的方式改變儀器的功能，實現客戶不同的應用需求。為了方便這個過程，我們增加了開放式API架構，在開放式API架構之上，才是我們的測量應用軟件。它既可以是一臺示波器、也可以是信號源，還可以是矢量網絡分析儀等等。
圖11 StationMax®硬件平臺
我們可以想象一下，當擁有了4G帶寬的接收機、5G帶寬的發射機、以及440 Gbps以上強大的運算能力，它還能幫助我們做些什么？這個問題，需要我們進一步探索，就像第一代智能手機誕生后，應用也開始了劇烈的爆發。我們儀器也將進入一個新的時代。
最后，讓我們來一起看一下StationMax®硬件平臺的參數，基礎硬件性能部分，我們有4個接收通道、4個發射通道、接收通道的帶寬可達4G、發射通道的帶寬可達5G、接收通道的采樣率可達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，能實現高精度、高速的采樣。而他的信號合成分辨率達到了16bit，即使在非常寬的帶寬內，都能產生非常精細的信號?？芍貥嬘布阅懿糠?，我們提供了2000GMAC/s和440 Gbps內部互聯帶寬。
圖12 StationMax®硬件平臺的參數
隨著第四代儀器的誕生，“XX測試儀器”可能成為歷史，就像我們買手機一樣，我們不會問你的手機有什么功能，大家都知道它是一臺智能手機。未來，我們買儀器也不會問，它是一臺示波器，還是一臺AWG，以及……。它只有一個名字，“儀器”——軟件可定義儀器！
