搜索【大師講堂】淺論示波器的低本底噪聲對(duì)高速眼圖測(cè)試的意義
2017-04-14 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
示波器作為數(shù)字信號(hào)調(diào)試和分析的通用工具,近十多年來在高速串行信號(hào)的一致性測(cè)試和分析中得到了廣泛應(yīng)用,從最初的 USB2.0/Ethernet 等到當(dāng)下熱門 HDMI2.0/USB3.x/Display Port/PCIE等。近幾年,隨著信號(hào)速率的持續(xù)推高和信號(hào)處理技術(shù)發(fā)展的需要,示波器在高速眼圖調(diào)試和分析中也已經(jīng)日益成為最重要的工具,廣泛應(yīng)用在 10G/40G/100G 高速信號(hào)傳輸?shù)难蹐D調(diào)試中。
傳統(tǒng)上,我們通常對(duì)示波器的四個(gè)常規(guī)指標(biāo)如帶寬,采樣率,存儲(chǔ)和觸發(fā)的重要性都有很深刻的認(rèn)識(shí),本文在此不再贅述。本文將就示波器的本底噪聲對(duì)高速串行信號(hào)眼圖的調(diào)試和測(cè)試的影響作一探討。(只看文章不過癮?文末還提供內(nèi)容詳盡的PDF文檔下載喲!)
首先我們來看看示波器的本底噪聲來自于哪里?
示波器的本底噪聲
典型的數(shù)字示波器的架構(gòu)如下圖1示:
▲ 圖1示波器的典型結(jié)構(gòu)圖
示波器的模擬帶寬主要取決于衰減器,其主要作用是將大信號(hào)衰減到ADC的最佳工作量程范圍內(nèi),而放大器則是為了對(duì)小信號(hào)放大到ADC的最佳工作量程范圍內(nèi)。示波器的本底噪聲也主要來自于上圖中的衰減器和前置放大器部分,這是任何電路和部件本身無法完全消除的,這個(gè)本底噪聲會(huì)疊加在信號(hào)上,ADC在采樣時(shí)是無法區(qū)分的也即ADC采樣時(shí)會(huì)全部量化,而這個(gè)本底噪聲也會(huì)被當(dāng)成為信號(hào)的一部分。衰減器在對(duì)信號(hào)衰減后,示波器在完成采樣后做信號(hào)處理時(shí)重新放大信號(hào),而這個(gè)重新放大的過程同時(shí)也會(huì)把前端的衰減器的本底噪聲進(jìn)行放大。
▲ 圖2 本底噪聲如何引入示意
因此作為示波器前端部件性能的衡量指標(biāo)的本底噪聲數(shù)值就成為示波器產(chǎn)品手冊(cè)上必須標(biāo)注的一個(gè)指標(biāo)。
那么這一指標(biāo)參數(shù)到底對(duì)高速串行信號(hào)眼圖測(cè)試的影響有多大呢?
眼圖測(cè)試
眼圖測(cè)試的必測(cè)參數(shù)之一是眼高:
▲ 圖3 眼圖測(cè)試示意圖
上圖是一個(gè)典型的眼圖測(cè)試各指標(biāo)的示意圖。其中眼高定義如下:
Eye Height = (PTopmean-3*PTopsigma)-(PBasemean+3*PBasesigma)
PTopsigma即為眼圖波形頂部的噪聲標(biāo)準(zhǔn)偏差或均方根值,PBasesigma為眼圖波形底部的噪聲標(biāo)準(zhǔn)偏差或均方根值。由此可見,眼高最終結(jié)果與波形噪聲標(biāo)準(zhǔn)偏差有直接關(guān)系。而波形噪聲標(biāo)準(zhǔn)偏差不僅僅與波形本身有關(guān),如前文所述與示波器的本底噪聲也是緊密相關(guān)的。
如下圖示,即便是同品牌同帶寬的示波器產(chǎn)品, 本底噪聲水平也是不同的。這里是兩款 4 GHz 帶寬示波器測(cè)試同一個(gè)信號(hào)的眼圖。兩款示波器的帶寬、垂直/水平設(shè)置完全相同。您可以看到, 右圖 Infiniium S 系列示波器由于其低噪底和10bit ADC等特性更真實(shí)地再現(xiàn)了信號(hào)的眼圖, 眼圖高度比左圖高 200 mV,提供了一個(gè)誤差更小精度更高的測(cè)量結(jié)果。
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圖4 不同底噪的示波器眼圖測(cè)試效果差異
以上我們討論了示波器的本底噪聲對(duì)串行信號(hào)眼圖測(cè)試精度的直接影響。
在眾多接口類高速串行信號(hào)物理層一致性測(cè)試(Compliance Test)中,如 USB3.x/HDMI2.0/DP/SATA/PCIE3.0/SFP+ 等,為了實(shí)現(xiàn)一致性測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)化和兼容性通常采用夾具配合高頻電纜將信號(hào)連接到示波器上。隨著信號(hào)速率的持續(xù)推高,夾具的有限帶寬正在日益成為高速信號(hào)測(cè)試中的誤差來源之一。以HDMI2.0測(cè)試為例,下圖是由Wilder公司提供的HDMI2.0 TPA-P夾具。根據(jù)Wilder公司的數(shù)據(jù),去除(De-Embedding)夾具中的連接器引起的損耗后-3dB帶寬可達(dá)26.5GHz與去除之前相比有非常顯著的改善。也就是說在實(shí)際的測(cè)試系統(tǒng)中,由于夾具有限性能引入了額外的測(cè)試誤差,事實(shí)上夾具本身不是真實(shí)運(yùn)行系統(tǒng)中的一部分而只是為了歸一化測(cè)試環(huán)境和方便測(cè)試。在今天的高速串行信號(hào)測(cè)試中隨著信號(hào)速率的提高,系統(tǒng)裕量越來越小,夾具引入的測(cè)試誤差已經(jīng)成為不可忽略的因素,因此夾具的去嵌正在成為高速串行信號(hào)一致性測(cè)試中的一部分。
▲ 圖4 Wilder公司HDMI2.0夾具和夾具去嵌效果示意圖
既然去嵌如此重要,那么去嵌的原理是什么呢?
▲ 圖5 夾具去嵌理論示意圖
如上圖所示,最下方的曲線是夾具本身的頻響曲線,其-3dB頻點(diǎn)在5GHz左右。采用黃色曲線進(jìn)行逆向放大后得到最終中間的曲線其-3dB頻點(diǎn)在9GHz左右,大大的補(bǔ)償了夾具在5GHz-9GHz的損耗.前面描述的這個(gè)過程就是夾具的去嵌(De-Embedding),也就是說通過這個(gè)信號(hào)處理將額外的為了方便測(cè)試和標(biāo)準(zhǔn)化而引入的夾具帶來的信號(hào)損耗或誤差進(jìn)行了放大補(bǔ)償。在這個(gè)放大的過程中,除了對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大,也會(huì)放大示波器的本底噪聲,從而引入更多額外的測(cè)試誤差和不確定性。因此低本底噪聲的示波器會(huì)帶來更高的眼圖張開度,即眼高。
以上討論的對(duì)夾具所做的去嵌的處理,有時(shí)也會(huì)用在對(duì)電纜上。Keysight公司在Infiniium系列示波器上提供了N2809A Precision Probe選件,可以自動(dòng)完成對(duì)夾具和電纜的去嵌。
如圖6所示,左邊的眼圖是沒有做電纜損耗去嵌之前測(cè)試的結(jié)果,右邊的眼圖是去嵌電纜損耗后得到的結(jié)果,很明顯地眼睛張開度大幅提高了35mV左右。但是同時(shí)也可以看到眼睛的眼皮變厚了即噪聲在這個(gè)過程中不可避免地被放大了。低本底噪聲的示波器在這個(gè)去嵌放大的過程中由于其低本底噪聲必然會(huì)得到更加優(yōu)異的測(cè)試效果。
除了N2809A選件可以完成針對(duì)夾具和電纜去嵌的處理,Keysight公司的N5465A/B InfiniiSim選件提供了更多關(guān)于夾具和電纜去嵌及嵌入的方法。具體請(qǐng)參考文獻(xiàn)5.
▲ 圖6 去嵌前后眼圖測(cè)試效果對(duì)比
今天的串行高速信號(hào)處理中,除了上面提到的夾具和電纜去嵌對(duì)本底噪聲的放大的影響外,還有一個(gè)更為普遍的是高速串行鏈路接收端(Receiver)里的均衡(Equalization),包括前向均衡FFE( Feed-Forward Equalization)和后向均衡DFE(Decision Feedback Equalization ).典型地如USB3.x Gen1 5Gbps里的接收機(jī)里的CTLE(Continuous Linear Equalizer,FFE的一種)均衡:
▲ 圖7 USB3.0接收端CTLE均衡示意圖
上圖中可以看到800MHz-8GHz頻帶范圍內(nèi),接收機(jī)里的CTLE對(duì)信號(hào)均在作一放大,最高達(dá)3dB左右。這一放大主要是為了補(bǔ)償信號(hào)由于傳輸鏈路的的有限帶通引起的損耗。在實(shí)際的測(cè)試過程中,無論是夾具還是示波器的探頭都不可能探測(cè)到接收機(jī)里的均衡后信號(hào)。因此這個(gè)均衡處理都需要示波器里的分析軟件來完成,比如針對(duì)USB3.x測(cè)試,如下圖所示中紅色標(biāo)線處的CTLE On即代表示波器的一致性分析軟件里接收端的CTLE均衡算法將打開:
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圖8 Keysight USB3.1 U7243B一致性測(cè)試軟件設(shè)置界面
當(dāng)示波器軟件執(zhí)行均衡算法時(shí)必然也會(huì)放大儀器的本底噪聲,從而削減預(yù)留的裕量。在均衡放大的過程中類似于夾具去嵌,除了對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大,也會(huì)放大示波器的本底噪聲,從而引入更多額外的測(cè)試誤差和不確定性。因此同理低本底噪聲的示波器會(huì)帶來更高的眼圖張開度,即眼高。
在很多標(biāo)準(zhǔn)的一致性測(cè)試中,引入夾具進(jìn)行規(guī)范化的一致性測(cè)試。但是在某些場(chǎng)合下也需要采用探頭進(jìn)行測(cè)試,比如需要高阻測(cè)試的場(chǎng)合或者多鏈路同時(shí)測(cè)試比如HDMI2.0等。探頭本身也是會(huì)有一定衰減,當(dāng)探頭在示波器外部對(duì)信號(hào)衰減的時(shí)候,示波器會(huì)再對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大,這個(gè)放大過程也會(huì)對(duì)示波器的本底噪聲進(jìn)行放大,從而削減系統(tǒng)預(yù)留的裕量,最終在測(cè)試結(jié)果上就是會(huì)削減眼圖張開度即眼高。
總結(jié)
本文主要就示波器的本底噪聲對(duì)高速串行信號(hào)的眼圖測(cè)試結(jié)果的影響做了一些初步的介紹和討論,主要有以下幾點(diǎn):
? 夾具和電纜去嵌處理過程中的逆向放大或補(bǔ)償會(huì)放大示波器的本底噪聲,從而影響眼高。
? 示波器上的測(cè)試軟件在模擬高速串行鏈路中廣泛采用的接收機(jī)均衡算法時(shí),會(huì)在放大信號(hào)的同時(shí)也放大儀器的本底噪聲,從而影響眼高。
? 采用探頭時(shí)探頭衰減后在示波器里的放大過程也會(huì)放大示波器的本底噪聲從而影響眼高。
當(dāng)然在示波器使用過程中還有一些其它的小的設(shè)置可能也會(huì)影響到測(cè)量的精度,比如檔位和垂直偏移等等,本文就不再討論了。
因此到這里,本文不僅僅是在討論示波器的本底噪聲如何影響眼睛張開度,也是在說明如果遇到眼睛張開度不夠即眼高測(cè)試失敗,如何嘗試解決問題的一些思路或者角度。
示波器乃至整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的本底噪聲對(duì)眼圖張開即眼高測(cè)試結(jié)果有很大的影響,當(dāng)然對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的其它評(píng)價(jià)指標(biāo)如抖動(dòng)乃至誤碼率BER(Bit Error Ratio)當(dāng)然也會(huì)產(chǎn)生很大影響。囿于篇幅,在這里本文不再討論了。
在今天的串行信號(hào)速率日益推高的趨勢(shì)下低電壓,高轉(zhuǎn)換速率的特點(diǎn)必然帶來系統(tǒng)預(yù)留的設(shè)計(jì)裕量日益緊縮。另一方面,源自于市場(chǎng)的降成本的壓力也會(huì)持續(xù)的壓縮設(shè)計(jì)裕量。因此采用低本底噪聲示波器進(jìn)行測(cè)試為系統(tǒng)設(shè)計(jì)保留更多的裕量已經(jīng)成為廣大業(yè)界從業(yè)人員的明智選擇。進(jìn)而示波器的本底噪聲也正在成為高速示波器繼帶寬,采樣,存儲(chǔ)和觸發(fā)后第五個(gè)重要指標(biāo),成為購買和選型時(shí)的最重要評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。
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附:參考文獻(xiàn):
[1]: 評(píng)估示波器的信號(hào)保真度,Keysight公司,5991-4088CHCN
[2]: HDMI Type-A v2 TestAdapter User Manual, Wilder Technologies,910-0040-000 Rev.B
[3]: Universal Serial Bus3.1 Specification,Rev 1.0
[4]: PrecisionProbe for Bandwidths up to 33 GHz,KeysightTechnologies,5990-7940EN
[5]: Keysight N5465AInfiniiSim Waveform Transformation Toolset for Infiniium Oscilloscopes,Keysight Technologies, 5990-4059EN
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