一台用专有硬件加速一切的示波器：MXO 3

搞电源和射频的使用R&S的仪器多（几乎是垄断了），但是对于低频信号链和常规测试就比较少了，甚至平时都不见几台，但是没关系，现在就随我的脚步一起走进R&S新品：MXO 3的世界。

其实拿到这个产品的时候，还是比较迷茫的，因为示波器作为一个常规的产品大家还是很熟悉的，那R&S凭什么敢卖超过4W人民币的呢？

这个宣传彩页就道明了一切

这个宣传彩页就道明了一切

首先是快速：高带宽 + 高采样率，捕捉纳秒级毛刺、亚纳秒边沿，让高速信号的每一次跳变都清晰可辨；减少波形更新间隔，提升捕获概率，让工程师"看见"那些稍纵即逝的故障现场。

因为先捕获到才能聊准确这件事情，所以第二点是精准：12bit乃至18bit垂直分辨率，配合优化信噪比设计，将微伏级波动、细微失真如实还原；R&S还擅长把时域、频域、协议域、调制域协同，让"是什么"与"为什么"同步呈现，量化结果兼具深度与可解释性。

至于第三点小巧这个，那我觉得就是仁者见仁，智者见智了，因为高性能一般和体积大挂钩，如果高性能下还能保持小体积那更是技术上突破和系统工程的胜利。

这个价格是起售，再加一些各种套件就很贵了

这个价格是起售，再加一些各种套件就很贵了

那我结合了市面上所有公开的资料以及R&S内部的支持，站在一个信号er的角度来揭开它的神秘。

初相见

上来一堆计算直接把读者搞糊涂也不好，先看看外观：

R&S的交互这边是把测量功能放到了最下面，这是和其它示波器不一样的地方

R&S的交互这边是把测量功能放到了最下面，这是和其它示波器不一样的地方

然后实物是有一种工程塑料额感觉

然后实物是有一种工程塑料的感觉

然后在下面的部分是突出来的

然后在下面的部分是突出来的

顺便说一下，它的体积很小，但也配备了11.6寸的显示器，这样在屏幕上看波形不会那么局促。

因为采集功能强大，这个机器的FFT功能也不遑多让：

可以看到

最上面是时域波形，下面是各种频域的测量，即使4个图窗也看着不是那么拥挤。

简单聊聊参数

上面我们了解了它的起售价和它的外观，那接下来就深入参数和特性：

它是按照通道和采样率来定价的

它是按照通道和采样率来定价的

标配都是125Mpts的储存大小（指深度），系统是闭源的Linux；接下来我会深入解读比如：实时采集率高达 99%，21 ns 触发重置时间，12 位 ADC，最高 18 位 HD 模式这些参数和特性。

全新的设计的示波器

专有硬件计算一切

在我看来MXO 3 的本质不是“更快的示波器”，而是：

一个以“高速数据通道 + 硬件并行计算 + 高分辨率ADC”为核心的实时信号分析系统

从示波器系统角度看，它其实就是：

Analog Frontend
     │
     ▼
    ADC
     │
     ▼
   Memory
     │
     ▼
CPU/GPU 处理

但它的关键创新在，没有使用什么常规意义的现成商用芯片，而是优化了设计，比如加入更多的内存做FIFO，来应对前端巨大的数据量，耗时的FFT以及触发都是放在一块自己设计的ASIC上。

在这里

在这里

MXO 的架构更像：

Analog Frontend
      │
      ▼
   ADC (12bit)
      │
      ▼
 MXO ASIC
 ├─ Trigger engine
 ├─ FFT engine
 ├─ Math engine
 ├─ Mask test
 ├─ trigger
      │
      ▼
    Memory

很多计算是 实时硬件完成。

也就是说所有很计算强相关的操作都被加速

也就是说所有计算强相关的操作都被加速

简单聊聊这个MXO-EP ASIC

因为即使使用了FPGA还是不够，全链路还是不够最优，而且经过我的计算需要的FPGA规格很高，在大批量的出货下可能还是有诸多限制，在这种情况下设计自己的芯片那就相对来说是最优解了。

MXO-EP ASIC 是 Rohde & Schwarz 为新一代 MXO 系列示波器开发的核心专用芯片；其中 EP 表示 Extreme Performance。它不是一个普通辅助器件，而是整台示波器高速采集、数字触发、频谱分析和大存储管理的核心硬件平台。

更准确地说，它的价值在于：把许多传统上依赖 CPU、软件或通用 FPGA 完成的高负载功能，尽可能前移到专用硬件中实时完成。

单颗 ASIC 可提供约 200 Gbit/s 处理能力，双 ASIC 架构可达 400 Gbit/s，可以支撑示波器实现 450 万次/秒波形捕获率 ，这样的硬件基础可以为示波器提供更短盲区，以及更高实时捕获比例，也更容易发现稀有毛刺、偶发故障和短暂异常，换句话说，它不是单纯“运算更快”，而是直接提升了：

独特的数字触发系统

对于示波器来说，信号进来一开始并不是一个要采集的状态，而是通过类似于一路比较器确认是感兴趣的信号才开始采集，那这个过程就不免的有误差，因为有了新的路径，就有新的误差和复杂度，那看看R&S如何解决的。

传统示波器问题：

信号 → 分叉
      → 采集路径
      → 触发路径（模拟比较器）

MXO3：

信号 → ADC → 同一采集和触发路径 

把触发当成了数字信号处理问题，这个数字触发架构也是MXO-EP ASIC 支撑的，示波器的测量与触发使用统一的数字信号路径，避免了传统模拟触发链与采集链分离所带来的偏差，而且触发灵敏度可做到很高，触发抖动很低 。

它的本质不是“比普通比较器更快”，而是：

这样触发就变成一个数字信号检测问题，而不是纯模拟比较器问题。

区域触发（Zone Trigger）硬件化

Zone Trigger = 在屏幕上画一个区域，只有当波形“进入/离开/停留在该区域”时才触发。

示波器显示的是：

横轴：时间 t
纵轴：电压 V(t)

你画一个矩形区域：

Zone = [t1, t2] × [Vmin, Vmax]

那么触发条件就是：

使得

或者更一般：

本质 = 轨迹是否进入一个二维区域。

示波器的传统触发（1D），如在上升沿触发或者阈值触发

本质是：

只看一个点（1维条件），而Zone Trigger（2D）

区域

是一个二维约束，它做到了抓“形状”，而不是“电平”，比如面对overshoot，ringing，glitch，EMI burst这些情况就可以画一个“异常区域”，只有进入这个区域才触发；因为很多信号没有明显边沿，没有固定周期，噪声很大， 传统触发失效，但是 Zone Trigger 仍然有效

MXO 这种设备能做到 Zone Trigger，是因为：

触发是在数字域完成的（不是模拟比较器）

实现流程：

ADC → 数字波形 → 实时判断 → trigger

对每个采样点：

这要求：高速数据路径（400 Gbit/s），以及FPGA/ASIC 并行判断，否则根本做不到实时

Zone Trigger区域触发这个功能很有意思，但是官方没有一个直观的示意图，我来绘制一下：

有 Must intersect 区域+ Must not intersct 区域和一个触发点 Trigger point，但是R&S的风格是暗色的，我修改了一下：

这样看着就不错了

这样看着就不错了

时域 Zone Trigger：波形必须进入某个区域，同时不要进入另一个禁止区域。也可以在频域进行区域触发：

结果类似于这样

结果类似于这样

频域 Zone Trigger：当某个 spur / harmonic 落入指定频率区域时触发

频谱分析硬件加速

50,000 FFT/s 的意思是：

示波器每秒钟可以进行大约 50,000 次快速傅里叶变换，并把频谱结果更新到屏幕上。

也就是：

每次 FFT 更新平均间隔大约是：

也就是说，大约每 20 微秒 就能得到一次新的频谱结果；传统示波器做 FFT 往往较慢，每秒几十次到几百次更新时，很多瞬态频谱事件会被错过；而 50,000 FFT/s 让频谱不再是慢速附属图，而成为高刷新观察窗口。

如果某个干扰只持续几微秒，FFT 更新越慢，盲区越长，就越可能错过；50,000 FFT/s 对应 20 μs 级更新间隔，因此大幅提高了看到短暂频谱事件的概率。另外MXO 3的时域和频域可以并行工作，ASIC 的强大算力使它在高频谱刷新率下，不必显著牺牲时域波形显示。

它还有一个free-run 模式：

叫无触发 FFT→ 类似：连续频谱仪模式， 这等价于一个“实时频谱仪 + 示波器融合体”，在频率合适的范围内，一台仪器可以同时当示波器和频谱仪使用。

仿真一个流式FFT

上图是原始波形，里面埋了两个短时 burst spur。 中图是“传统单次 FFT”，因为取的窗口没落在 1.6 MHz burst 上，所以Zone触发区里几乎看不到异常。 下图是“连续 FFT 更新”，相当于一个流式 STFT 频谱引擎，可以把 1.6 MHz 和 2.2 MHz 的短时频谱事件都显示出来；虚线位置是第一次命中频域触发区的时间。

总结一下：

50,000 FFT/s 表示示波器每秒可以执行约五万次快速傅里叶变换，并更新频谱显示结果。其工程意义不在于“屏幕刷新更流畅”，而在于显著缩短了频域分析的观察盲区，使示波器能够更高概率地捕获短暂出现的谐波、杂散、开关噪声和 EMI 相关瞬态频谱事件。 因此，这样的频谱功能不再只是普通示波器的附加显示，而是接近实时频谱分析仪的一种高速硬件分析能力。

看看这颗专有芯片吧！

前面面板的铸铝的

前面面板的铸铝的

这个A面极其简洁，可以看到很多的去耦电容

这个A面极其简洁，可以看到很多的去耦电容

在背后是一个巨大的风扇用来给开关电源散热

在背后是一个巨大的风扇用来给开关电源散热

这就是我们的主角了，都被巨大的散热片覆盖

这就是我们的主角了，都被巨大的散热片覆盖

可以看到在周围都是供电和内存

可以看到在周围都是供电和内存

每俩路共享一块芯片

每俩路共享一块芯片

应该是俩路的数据再给一个单独的ASIC来处理，分摊压力

这个前端也是很简洁，依稀可见MPS的电源

这个前端也是很简洁，依稀可见MPS的电源

4.5M waveforms/s 是什么？

4.5 million acquisitions/s

意思是：每秒可以重新采集 450万次，注意啊！这不是：采样率，更不是带宽

而是：

刷新率（event capture rate）

假设一个示波器：

采集时间 = 10 µs
处理时间 = 1 ms

那实时捕获率10µs / (10µs + 1ms)≈ 1%，这就是很多示波器：实时率 < 2%

那为什么传统示波器只能看到 <2% 信号活动 ？

先看一下处理链条：采集 → 处理 → 显示 → 停顿 → 再采集，天然的有“盲区”；MXO是尽可能的压低这个指标（盲区时间 ↓↓↓）：以至于rare event 被看到。

12-bit ADC（全速）

现在高速ADC的降价和普及，基本上新出的示波器都是12bit了：

文档这个例子：8-bit → 4 mV 分辨率，12-bit → 0.244 mV ，提升了16 倍分辨率。

MXO3可以滤波以及硬件过采样到：

up to 18-bit resolution

数字滤波 + 降噪

数字滤波 + 降噪

输入噪声

输入噪声

1 mV/div → 50 µV RMS noise

等效：

SNR ≈ 1 mV / 50 µV = 20 → 26 dB

说明：示波器本身已经接近“中等精度模拟链”

储存深度

一般来说我们希望两个事情，示波器以高分辨率的采样信号，又想让它长时间的积累，但是这个指标是非此即彼的，由深度决定：

记录时间 = Memory / SampleRate

例：

2.5 GS/s → 125M → 50 ms

传统示波器时间长 → 降采样 → alias；MXO使sample rate / memory / timebase 独立 ，这设计很有意思。

后记

MXO 3 核心价值是：

把“信号采集 → 分析 → 触发 → 频域 → 统计”全部放进一个实时硬件流水线系统