老司機談示波器本底噪聲對眼圖的影響

2017-06-30 by:CAE仿真在線來源:互聯網

示波器作為數字信號調試和分析的通用工具,近十多年來在高速串行信號的一致性測試和分析中得到了廣泛應用,從最初的 USB2.0/Ethernet 等到當下熱門 HDMI2.0/USB3.x/Display Port/PCIE等。近幾年,隨著信號速率的持續推高和信號處理技術發展的需要,示波器在高速眼圖調試和分析中也已經日益成為最重要的工具,廣泛應用在 10G/40G/100G 高速信號傳輸的眼圖調試中。

傳統上,我們通常對示波器的四個常規指標如帶寬,采樣率,存儲和觸發的重要性都有很深刻的認識,本文在此不再贅述。

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

典型的數字示波器的架構如下圖1示:

▲圖1示波器的典型結構圖

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衰減到ADC的最佳工作量程范圍內,而放大器則是為了對小信號放大到ADC的最佳工作量程范圍內。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,這個本底噪聲會疊加在信號上,ADC在采樣時是無法區分的也即ADC采樣時會全部量化,而這個本底噪聲也會被當成為信號的一部分。衰減器在對信號衰減后,示波器在完成采樣后做信號處理時重新放大信號,而這個重新放大的過程同時也會把前端的衰減器的本底噪聲進行放大。

▲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的本底噪聲數值就成為示波器產品手冊上必須標注的一個指標。

那么這一指標參數到底對高速串行信號眼圖測試的影響有多大呢?

眼圖測試

眼圖測試的必測參數之一是眼高:

▲圖3 眼圖測試示意圖

上圖是一個典型的眼圖測試各指標的示意圖。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準偏差或均方根值,PBasesigma為眼圖波形底部的噪聲標準偏差或均方根值。由此可見,眼高最終結果與波形噪聲標準偏差有直接關系。而波形噪聲標準偏差不僅僅與波形本身有關,如前文所述與示波器的本底噪聲也是緊密相關的。

如下圖示,即便是同品牌同帶寬的示波器產品, 本底噪聲水平也是不同的。這里是兩款 4 GHz 帶寬示波器測試同一個信號的眼圖。兩款示波器的帶寬、垂直/水平設置完全相同。您可以看到, 右圖 Infiniium S 系列示波器由于其低噪底和10bit ADC等特性更真實地再現了信號的眼圖, 眼圖高度比左圖高 200 mV,提供了一個誤差更小精度更高的測量結果。

▲圖4 不同底噪的示波器眼圖測試效果差異

以上我們討論了示波器的本底噪聲對串行信號眼圖測試精度的直接影響。

在眾多接口類高速串行信號物理層一致性測試(Compliance Test)中,如 USB3.x/ HDMI2.0/DP/SATA/PCIE3.0/SFP+ 等,為了實現一致性測試的標準化和兼容性通常采用夾具配合高頻電纜將信號連接到示波器上。隨著信號速率的持續推高,夾具的有限帶寬正在日益成為高速信號測試中的誤差來源之一。以HDMI2.0測試為例,下圖是由Wilder公司提供的HDMI2.0 TPA-P夾具。根據Wilder公司的數據,去除(De-Embedding)夾具中的連接器引起的損耗后-3dB帶寬可達26.5GHz與去除之前相比有非常顯著的改善。也就是說在實際的測試系統中,由于夾具有限性能引入了額外的測試誤差,事實上夾具本身不是真實運行系統中的一部分而只是為了歸一化測試環境和方便測試。在今天的高速串行信號測試中隨著信號速率的提高,系統裕量越來越小,夾具引入的測試誤差已經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一致性測試中的一部分。

▲圖5 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?

去嵌的原理

▲圖6 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頻點在5GHz左右。采用黃色曲線進行逆向放大后得到最終中間的曲線其-3dB頻點在9GHz左右,大大的補償了夾具在5GHz-9GHz的損耗.前面描述的這個過程就是夾具的去嵌(De-Embedding),也就是說通過這個信號處理將額外的為了方便測試和標準化而引入的夾具帶來的信號損耗或誤差進行了放大補償。在這個放大的過程中,除了對信號進行放大,也會放大示波器的本底噪聲,從而引入更多額外的測試誤差和不確定性。因此低本底噪聲的示波器會帶來更高的眼圖張開度,即眼高。

以上討論的對夾具所做的去嵌的處理,有時也會用在對電纜上。在Infiniium系列示波器上有可以自動完成對夾具和電纜的去嵌的選件。

如圖7所示,左邊的眼圖是沒有做電纜損耗去嵌之前測試的結果,右邊的眼圖是去嵌電纜損耗后得到的結果,很明顯地眼睛張開度大幅提高了35mV左右。但是同時也可以看到眼睛的眼皮變厚了即噪聲在這個過程中不可避免地被放大了。低本底噪聲的示波器在這個去嵌放大的過程中由于其低本底噪聲必然會得到更加優異的測試效果。更多關于夾具和電纜去嵌及嵌入的方法。具體請參考文獻5.

▲圖7 去嵌前后眼圖測試效果對比

今天的串行高速信號處理中,除了上面提到的夾具和電纜去嵌對本底噪聲的放大的影響外,還有一個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里的接收機里的CTLE(Continuous Linear Equalizer,FFE的一種)均衡:

▲圖8 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,接收機里的CTLE對信號均在作一放大,最高達3dB左右。這一放大主要是為了補償信號由于傳輸鏈路的的有限帶通引起的損耗。在實際的測試過程中,無論是夾具還是示波器的探頭都不可能探測到接收機里的均衡后信號。因此這個均衡處理都需要示波器里的分析軟件來完成,比如針對USB3.x測試,如下圖所示中紅色標線處的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:

▲圖9 USB3.1 一致性測試軟件設置界面

當示波器軟件執行均衡算法時必然也會放大儀器的本底噪聲,從而削減預留的裕量。在均衡放大的過程中類似于夾具去嵌,除了對信號進行放大,也會放大示波器的本底噪聲,從而引入更多額外的測試誤差和不確定性。因此同理低本底噪聲的示波器會帶來更高的眼圖張開度,即眼高。

在很多標準的一致性測試中,引入夾具進行規范化的一致性測試。但是在某些場合下也需要采用探頭進行測試,比如需要高阻測試的場合或者多鏈路同時測試比如HDMI2.0等。探頭本身也是會有一定衰減,當探頭在示波器外部對信號衰減的時候,示波器會再對信號進行放大,這個放大過程也會對示波器的本底噪聲進行放大,從而削減系統預留的裕量,最終在測試結果上就是會削減眼圖張開度即眼高。

總結

本文主要就示波器的本底噪聲對高速串行信號的眼圖測試結果的影響做了一些初步的介紹和討論,主要有以下幾點:

?示波器的本底噪聲本身會對眼睛張開度即眼高有直接影響。

?夾具和電纜去嵌處理過程中的逆向放大或補償會放大示波器的本底噪聲,從而影響眼高。

?示波器上的測試軟件在模擬高速串行鏈路中廣泛采用的接收機均衡算法時,會在放大信號的同時也放大儀器的本底噪聲,從而影響眼高。

?采用探頭時探頭衰減后在示波器里的放大過程也會放大示波器的本底噪聲從而影響眼高。

當然在示波器使用過程中還有一些其它的小的設置可能也會影響到測量的精度,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。

示波器乃至整個測量系統的本底噪聲對眼圖張開即眼高測試結果有很大的影響,當然對整個系統的其它評價指標如抖動乃至誤碼率BER(Bit Error Ratio)當然也會產生很大影響。由于篇幅有限,在這里本文不再討論了。

在今天的串行信號速率日益推高的趨勢下低電壓,高轉換速率的特點必然帶來系統預留的設計裕量日益緊縮。另一方面,源自于市場的降成本的壓力也會持續的壓縮設計裕量。因此采用低本底噪聲示波器進行測試為系統設計保留更多的裕量已經成為廣大業界從業人員的明智選擇。進而示波器的本底噪聲也正在成為高速示波器繼帶寬,采樣,存儲和觸發后第五個重要指標,成為購買和選型時的最重要評價指標之一。

附:參考文獻:

[1]: 評估示波器的信號保真度,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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