Технология X-StreamТМ цифровых осциллографов LeCroy
20.07.2021
X-Stream - ключевая технология цифровых осциллографов LeCroy. Технология потоковой обработки сигнала.
Технология X- Strem является уникальной разработкой компании LeCroy и используется во всех моделях осциллографов, выпускаемых данной компанией. Данная технология представляет собой совокупность аппаратной системы сбора информации о сигнале, обеспечивающей высокую достоверность отображения его параметров, и метода потоковой передачи данных. Такой симбиоз обеспечивает быстродействие, превышающее возможности предыдущих типов осциллографов, по захвату и обработке «длинных» записей, которые требуются для точных измерений сложных сигналов.
Работу технологии X-Stream можно рассмотреть на примере осциллографа WaveMaster. Изучаемый сигнал подается в осциллограф через входной байонетный разъем с полосой пропускания 18 ГГц. Затем он попадает на реле, которое переключает аттенюатор Х1 или Х10 в цепи прохождения сигнала. При выключенном питании реле предусматривает подключении к входу нагрузочного сопротивления 50 Ом. Когда питание включено, сигнал через реле с полосой пропускания 12 ГГц поступает на SiGe усилитель. Этот высокоскоростной чип (полоса пропускания более 6 ГГц) разработан компанией LeCroy и изготовлен IBM. Он имеет три выхода. Один выход подключен к АЦП данного канала, другой – к АЦП соседнего канала (что позволяет совместно работать двум АЦП для увеличения частоты дискретизации в режиме объединения каналов). Третий выход идет на микросхему синхронизации. АЦП с полосой пропускания 6 ГГц и схема синхронизации (полоса пропускания более 5 ГГц) также являются разработкой LeCroy и произведены IBM.
После усилителя сигнал через симметричную линию связи подается на АЦП. Поскольку обычная линия разводки на компьютерных платах имеет полосу пропускания менее 5 ГГц, то используются специальные материалы с малой диэлектрической проницаемостью и потерями порядка 0,07 дБ на 1 см на частоте 10 ГГц. АЦП представляет собой моночип с частотой дискретизации 10 ГГц, индивидуальный для каждого канала осциллографа, который оцифровывает входной сигнал с разрядностью 8 бит и временем между соседними отсчетами 100 пс. При использовании режима объединения двух каналов, 2 АЦП работают совместно, обеспечивая частоту дискретизации 20 ГГц.
Данные из каждого АЦП посылаются через 6 портов вывода, сгруппированных по парам, на 3 разработанных LeCroy высокоскоростных модуля памяти DRAM. Каждый чип принимает данные со скоростью 3,3333 Гбайт/с. Поскольку один отсчет АЦП равен 8 бит или 1 байт, то 3 чипа памяти принимают из АЦП 10 Гбайт данных в секунду.
Высокоскоростная память DRAM является одним из ключевых моментов технологии X- Stream. В добавление к функции сохранения информации, чипы памяти имеют встроенный КМОП-процессор для некоторых дополнительных функций. До сохранения информации в памяти этот процессор обеспечивает:
Для чтения из памяти чип оснащен высокоскоростным доступом Ethernet 1 Гигабит, передающим данные в управляющий компьютер, а именно интерфейсную плату, находящуюся на шине PCI . Для поддержки «гигабитного» протокола в чипе памяти производится перекодировка данных в формате 8 бит – 10 бит в целях обеспечения синхронизации данных и повышения устойчивости линии передачи к внешним шумам/помехам. Один «гигабитный» доступ работает с двумя каналами.
Процедура прореживания точек позволяет чипу памяти эмулировать понижение частоты дискретизации, что позволяет более оптимально использовать объем памяти при исследованиях «медленных» сигналов. Но в отличие от прежних моделей осциллографов, реальная частота дискретизации АЦП всегда остается равной 10 ГГц, что позволяет уменьшить джиттер прибора и увеличить точность измерения временных интервалов.
Через интерфейсную плату данные поступают на шину PCI. При текущем уровне технологий скорость шины PCI является ограничением в технологии X- Stream. Максимальная скорость PCI-шины составляет 125 Мбайт/с. Хотя это намного быстрее, чем в предыдущих осциллографах, PCI-шина является самым «узким» местом X- Strem. К счастью, сейчас разработано достаточно много программных методов быстрой передачи данных по PCI, в том числе с использованием возможности масштабирования скорости передачи данных из «гигабита».
По PCI данные передаются в центральный процессор Pentium IV с тактовой частотой 2,8 ГГц (и более) производства Intel. LeCroy полностью написал программные коды для операционной системы WIN 2000, используемой в WaveMaster, в виде библиотеки более чем из 300 исполняемых объектов, оптимизированных для высокоскоростной обработки данных. Модульная программная архитектура позволяет WIN 2000 полностью интегрироваться во все процессы осциллографа: передачи данных, измерения, анализа, отображения на дисплее. А также позволяет пользователю создавать свои настройки или математические функции, и включать их в поток обработки еще до момента экспорта данных в другие программы. Такой уровень интеграции позволяет технологии X- Stream использовать мощные возможности центрального процессора по цифровой обработке сигнала.
Предыдущие модели осциллографов использовали операционные системы WIN 95/98/ ME и процессоры Intel только для формирования графического пользовательского интерфейса, а передачей данных занимался специализированный, но не такой быстрый и мощный процессор. При использовании предыдущих технологий даже простая задача измерения нескольких параметров импульса приводила к затратам значительных ресурсов системы. Это соответственно приводило к уменьшению скорости захвата сигнала и увеличению времени простоя между запусками системы синхронизации.
В WaveMaster специалисты LeCroy изменили коды передачи данных для оптимизации пакетной передачи данных в кэш-память центрального процессора, поэтому технология X- Stream помогает ускорить обработку результатов. Для примера, если пользователь хочет вычесть канал 1 из канала 2 и затем проинтегрировать полученный результат, то WaveMaster посылает пакеты данных из каналов 1 и 2 в кэш-память, а инструкции по математическим операциям постоянно находятся в памяти. Это позволяет получать результат в 10-100 раз быстрее, чем при других технологиях.
Преимущества будут не так заметны, если пользователь хочет просто увидеть сигнал. Если же пользователь хочет произвести измерения и анализ сложного сигнала, то преимущества от оптимизации использования кэш-памяти становятся значительными. Время, потраченное центральным процессором для анализа, будет гораздо меньше при использовании пакетной потоковой технологии X- Stream.
Так коротко можно описать основные принципы работы новой технологии X - Stream от компании LeCroy, применяемой во всех моделях осциллографов этой компании.
Технология X- Strem является уникальной разработкой компании LeCroy и используется во всех моделях осциллографов, выпускаемых данной компанией. Данная технология представляет собой совокупность аппаратной системы сбора информации о сигнале, обеспечивающей высокую достоверность отображения его параметров, и метода потоковой передачи данных. Такой симбиоз обеспечивает быстродействие, превышающее возможности предыдущих типов осциллографов, по захвату и обработке «длинных» записей, которые требуются для точных измерений сложных сигналов.
Работу технологии X-Stream можно рассмотреть на примере осциллографа WaveMaster. Изучаемый сигнал подается в осциллограф через входной байонетный разъем с полосой пропускания 18 ГГц. Затем он попадает на реле, которое переключает аттенюатор Х1 или Х10 в цепи прохождения сигнала. При выключенном питании реле предусматривает подключении к входу нагрузочного сопротивления 50 Ом. Когда питание включено, сигнал через реле с полосой пропускания 12 ГГц поступает на SiGe усилитель. Этот высокоскоростной чип (полоса пропускания более 6 ГГц) разработан компанией LeCroy и изготовлен IBM. Он имеет три выхода. Один выход подключен к АЦП данного канала, другой – к АЦП соседнего канала (что позволяет совместно работать двум АЦП для увеличения частоты дискретизации в режиме объединения каналов). Третий выход идет на микросхему синхронизации. АЦП с полосой пропускания 6 ГГц и схема синхронизации (полоса пропускания более 5 ГГц) также являются разработкой LeCroy и произведены IBM.
После усилителя сигнал через симметричную линию связи подается на АЦП. Поскольку обычная линия разводки на компьютерных платах имеет полосу пропускания менее 5 ГГц, то используются специальные материалы с малой диэлектрической проницаемостью и потерями порядка 0,07 дБ на 1 см на частоте 10 ГГц. АЦП представляет собой моночип с частотой дискретизации 10 ГГц, индивидуальный для каждого канала осциллографа, который оцифровывает входной сигнал с разрядностью 8 бит и временем между соседними отсчетами 100 пс. При использовании режима объединения двух каналов, 2 АЦП работают совместно, обеспечивая частоту дискретизации 20 ГГц.
Данные из каждого АЦП посылаются через 6 портов вывода, сгруппированных по парам, на 3 разработанных LeCroy высокоскоростных модуля памяти DRAM. Каждый чип принимает данные со скоростью 3,3333 Гбайт/с. Поскольку один отсчет АЦП равен 8 бит или 1 байт, то 3 чипа памяти принимают из АЦП 10 Гбайт данных в секунду.
Высокоскоростная память DRAM является одним из ключевых моментов технологии X- Stream. В добавление к функции сохранения информации, чипы памяти имеют встроенный КМОП-процессор для некоторых дополнительных функций. До сохранения информации в памяти этот процессор обеспечивает:
- процедуру «прореживания» данных для понижения частоты дискретизации;
- короткое межсегментное время (около 5 мкс) в режиме управления структурой памяти
Для чтения из памяти чип оснащен высокоскоростным доступом Ethernet 1 Гигабит, передающим данные в управляющий компьютер, а именно интерфейсную плату, находящуюся на шине PCI . Для поддержки «гигабитного» протокола в чипе памяти производится перекодировка данных в формате 8 бит – 10 бит в целях обеспечения синхронизации данных и повышения устойчивости линии передачи к внешним шумам/помехам. Один «гигабитный» доступ работает с двумя каналами.
Процедура прореживания точек позволяет чипу памяти эмулировать понижение частоты дискретизации, что позволяет более оптимально использовать объем памяти при исследованиях «медленных» сигналов. Но в отличие от прежних моделей осциллографов, реальная частота дискретизации АЦП всегда остается равной 10 ГГц, что позволяет уменьшить джиттер прибора и увеличить точность измерения временных интервалов.
Через интерфейсную плату данные поступают на шину PCI. При текущем уровне технологий скорость шины PCI является ограничением в технологии X- Stream. Максимальная скорость PCI-шины составляет 125 Мбайт/с. Хотя это намного быстрее, чем в предыдущих осциллографах, PCI-шина является самым «узким» местом X- Strem. К счастью, сейчас разработано достаточно много программных методов быстрой передачи данных по PCI, в том числе с использованием возможности масштабирования скорости передачи данных из «гигабита».
По PCI данные передаются в центральный процессор Pentium IV с тактовой частотой 2,8 ГГц (и более) производства Intel. LeCroy полностью написал программные коды для операционной системы WIN 2000, используемой в WaveMaster, в виде библиотеки более чем из 300 исполняемых объектов, оптимизированных для высокоскоростной обработки данных. Модульная программная архитектура позволяет WIN 2000 полностью интегрироваться во все процессы осциллографа: передачи данных, измерения, анализа, отображения на дисплее. А также позволяет пользователю создавать свои настройки или математические функции, и включать их в поток обработки еще до момента экспорта данных в другие программы. Такой уровень интеграции позволяет технологии X- Stream использовать мощные возможности центрального процессора по цифровой обработке сигнала.
Предыдущие модели осциллографов использовали операционные системы WIN 95/98/ ME и процессоры Intel только для формирования графического пользовательского интерфейса, а передачей данных занимался специализированный, но не такой быстрый и мощный процессор. При использовании предыдущих технологий даже простая задача измерения нескольких параметров импульса приводила к затратам значительных ресурсов системы. Это соответственно приводило к уменьшению скорости захвата сигнала и увеличению времени простоя между запусками системы синхронизации.
В WaveMaster специалисты LeCroy изменили коды передачи данных для оптимизации пакетной передачи данных в кэш-память центрального процессора, поэтому технология X- Stream помогает ускорить обработку результатов. Для примера, если пользователь хочет вычесть канал 1 из канала 2 и затем проинтегрировать полученный результат, то WaveMaster посылает пакеты данных из каналов 1 и 2 в кэш-память, а инструкции по математическим операциям постоянно находятся в памяти. Это позволяет получать результат в 10-100 раз быстрее, чем при других технологиях.
Преимущества будут не так заметны, если пользователь хочет просто увидеть сигнал. Если же пользователь хочет произвести измерения и анализ сложного сигнала, то преимущества от оптимизации использования кэш-памяти становятся значительными. Время, потраченное центральным процессором для анализа, будет гораздо меньше при использовании пакетной потоковой технологии X- Stream.
Так коротко можно описать основные принципы работы новой технологии X - Stream от компании LeCroy, применяемой во всех моделях осциллографов этой компании.