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广东泰测电子有限公司:示波器的低成本噪声对高速眼图测试

作者:广东泰测电子有限公司 浏览: 发表时间:2022-03-02 18:25:41

前言:传统上,我们通常对示波器的带宽、采样率、存储和触发等四个通用指标的重要性都有很深的了解,本文在此不再赘述。本文将讨论示波器本底噪声对高速串行信号眼图调试和测试的影响。

首先我们来看看示波器的本底噪声是从哪里来的?以下内容来自广东泰测电子有限公司 希望对你有所帮助!!




示波器的本底噪声





典型的数字示波器的架构如下图1示:

 图1示波器的典型结构图

        

        示波器的模拟带宽主要取决于衰减器,它的主要作用是将大信号衰减到ADC的***工作范围,放大器是将小信号放大到ADC的***工作范围。示波器的本底噪声也主要来自上图中的衰减器和前置放大器部分,任何电路或元件本身都无法完全消除。这个本底噪声会叠加在信号上,ADC在采样时无法区分。即ADC在采样时会被完全量化,这个本底噪声也将被视为信号的一部分。衰减器对信号进行衰减后,示波器在采样后对信号进行处理时对信号进行重新放大,

图2 本底噪声如何引入示意



因此,作为示波器前端元器件性能的衡量标准的本底噪声值,就成为示波器产品手册上必须标注的一个指标。  那么这个指标参数对高速串行信号的眼图测试有多大影响呢?




眼图测试



眼图测试的必测参数之一是眼高:

图3 眼图测试示意图

上图是一个典型的眼图测试各指标的示意图。其中眼高定义如下:


Eye Height = (PTopmean-3*PTopsigma)-(PBasemean+3*PBasesigma)


PTopsigma 是眼图波形顶部的噪声标准偏差或 rms 值,PBasesigma 是眼图波形底部的噪声标准偏差或 rms 值。可以看出,眼高的***终结果与波形噪声的标准偏差直接相关。波形噪声标准偏差不仅与波形本身有关,还与前面提到的示波器的本底噪声密切相关。


如下图所示,即使是相同品牌、相同带宽的示波器产品,本底噪声水平也不同。这是使用两个 4 GHz 带宽示波器的相同信号的眼图。两个示波器的带宽、垂直/水平设置相同。您可以看到右侧的 Infiniium S 系列示波器由于其低本底噪声和 10 位 ADC 更真实地再现了信号的眼图。眼图高度比左图高 200 mV,提供更小的误差和更高的测量结果精度。


图4 不同底噪的示波器眼图测试效果差异


以上我们讨论了示波器的本底噪声对串行信号眼图测试精度的直接影响。


在很多接口高速串行信号物理层一致性测试(Compliance Test),如USB3.x/HDMI2.0/DP/SATA/PCIE3.0/SFP+等. ,为了实现一致性测试的标准化和兼容性,通常使用夹具将信号通过高频电缆连接到示波器。随着信号速率的不断提高,夹具的有限带宽正日益成为高速信号测试中的误差源。以HDMI2.0测试为例,下图是Wilder提供的HDMI2.0 TPA-P夹具。根据Wilder的数据,去除(De-Embedding)夹具中的连接器造成的损耗后,-3dB带宽可以达到26.5GHz,相比去除前,这是一个非常显着的提升。也就是说,在实际的测试系统中,由于夹具的性能有限,会引入额外的测试误差。实际上,夹具本身并不是真正操作系统的一部分,只是为了规范测试环境,方便测试。在当今高速串行信号测试中,随着信号速率的提高,系统裕量越来越小,夹具引入的测试误差成为不可忽视的因素。因此,夹具的去嵌入正在成为一种高速串行信号一致性测试。部分。但只是为了规范测试环境和方便测试。在当今高速串行信号测试中,随着信号速率的提高,系统裕量越来越小,夹具引入的测试误差成为不可忽视的因素。因此,夹具的去嵌入正在成为一种高速串行信号一致性测试。部分。但只是为了规范测试环境和方便测试。在当今高速串行信号测试中,随着信号速率的提高,系统裕量越来越小,夹具引入的测试误差成为不可忽视的因素。因此,夹具的去嵌入正在成为一种高速串行信号一致性测试的部分。



图5 Wilder公司HDMI2.0夹具和夹具去嵌效果示意图


既然去嵌如此重要,那么去嵌的原理是什么呢?





 去嵌的原理



图6 夹具去嵌理论示意图


既然去嵌如此重要,那么去嵌的原理是什么呢?

  如上图所示,***下方的曲线是夹具本身的频响曲线,其-3dB频点在5GHz左右。采用黄色曲线进行逆向放大后得到***终中间的曲线其-3dB频点在9GHz左右,大大的补偿了夹具在5GHz-9GHz的损耗.前面描述的这个过程就是夹具的去嵌(De-Embedding),也就是说通过这个信号处理将额外的为了方便测试和标准化而引入的夹具带来的信号损耗或误差进行了放大补偿。在这个放大的过程中,除了对信号进行放大,也会放大示波器的本底噪声,从而引入更多额外的测试误差和不确定性。因此低本底噪声的示波器会带来更高的眼图张开度,即眼高。

既然去嵌入那么重要,那么去嵌入的原理是什么呢?

  如上图,***下面的曲线是灯具本身的频响曲线,它的-3dB频点在5GHz左右。黄色曲线用于反向放大,得到***终的中间曲线。-3dB频点在9GHz左右,极大的弥补了夹具在5GHz-9GHz的损耗。上面描述的过程就是夹具的去嵌入(De-Embedding),也就是通过这个信号处理,为了方便测试和标准化而引入的附加夹具造成的信号丢失或误差被放大和补偿。在这个放大过程中,除了放大信号外,还放大了示波器的本底噪声,从而引入了更多额外的测试误差和不确定性。所以,


   

上面讨论的夹具的去嵌入有时也适用于电缆。在 Infiniium 系列示波器上,有一个选项可以自动去除夹具和电缆的嵌入。


    如图7所示,左边的眼图是没有去嵌入电缆损耗的测试结果,右边的眼图是去嵌入电缆损耗后的结果。很明显,眼图开度大大增加了约 35mV。但同时可以看到,眼睛的眼皮变厚了,也就是这个过程中不可避免的噪点被放大了。低本底噪声的示波器由于本底噪声低,在去嵌放大过程中必然会得到更好的测试结果。更多关于如何去嵌入和嵌入夹具和电缆。详情请参考参考书目5.

图7 去嵌前后眼图测试效果对比


    

在当今的串行高速信号处理中,除了上述夹具和电缆去嵌入对本底噪声放大的影响外,更常见的一种是高速串行链路接收器(Receiver)中的均衡。 . 均衡),包括前向均衡FFE(Feed-Forward Equalization)和后向均衡DFE(Decision Feedback Equalization)。通常情况下,接收器中的 CTLE(连续线性均衡器,FFE)处于 USB3.x Gen1 5Gbps a) 平衡状态:

图8 USB3.0接收端CTLE均衡示意图


    

从上图可以看出,在800MHz-8GHz的频率范围内,接收机中的CTLE对信号进行放大,***可达3dB左右。这种放大主要是为了补偿由于传输链路的带通有限而造成的信号损失。在实际测试过程中,无论是示波器的夹具还是探头都无法检测到接收机中的均衡信号。因此,这个均衡过程需要示波器中的分析软件。例如,对于USB3.x测试,下图中红线处的CTLE On代表示波器一致性分析软件中接收端的CTLE均衡。该算法将打开:

图9 USB3.1 一致性测试软件设置界面


       当示波器软件执行均衡算法时必然也会放大仪器的本底噪声,从而削减预留的裕量。在均衡放大的过程中类似于夹具去嵌,除了对信号进行放大,也会放大示波器的本底噪声,从而引入更多额外的测试误差和不确定性。因此同理低本底噪声的示波器会带来更高的眼图张开度,即眼高。


        在很多标准的一致性测试中,引入夹具进行规范化的一致性测试。但是在某些场合下也需要采用探头进行测试,比如需要高阻测试的场合或者多链路同时测试比如HDMI2.0等。探头本身也是会有一定衰减,当探头在示波器外部对信号衰减的时候,示波器会再对信号进行放大,这个放大过程也会对示波器的本底噪声进行放大,从而削减系统预留的裕量,***终在测试结果上就是会削减眼图张开度即眼高。


示波器软件在执行均衡算法时,还必须放大仪器的本底噪声,从而减小余量。均衡放大的过程类似于夹具去嵌入。除了放大信号外,它还放大了示波器的本底噪声,从而引入了更多额外的测试误差和不确定性。因此,具有较低本底噪声的示波器会导致较高的眼图张开或眼图高度。

在许多标准一致性测试中,引入了用于标准化一致性测试的夹具。但是,在某些场合,也需要使用探针进行测试。比如需要进行高阻测试或者需要HDMI2.0等多链路同时测试时,探头本身也会有一定的衰减。当探头衰减示波器外的信号时,示波器再次放大信号。这一放大过程还放大了示波器的本底噪声,从而减少了为系统预留的余量。***终的测试结果是眼睛张开减少,也就是眼睛的高度。





总结





本文主要就示波器的本底噪声对高速串行信号的眼图测试结果的影响做了一些初步的介绍和讨论,主要有以下几点:


 示波器的本底噪声本身会对眼睛张开度即眼高有直接影响。

夹具和电缆去嵌处理过程中的逆向放大或补偿会放大示波器的本底噪声,从而影响眼高。

示波器上的测试软件在模拟高速串行链路中广泛采用的接收机均衡算法时,会在放大信号的同时也放大仪器的本底噪声,从而影响眼高。

 采用探头时探头衰减后在示波器里的放大过程也会放大示波器的本底噪声从而影响眼高。



当然,还有一些其他的小设置也可能影响示波器在使用过程中的测量精度,比如档位和垂直偏移等,本文不做讨论。

    所以,这篇文章不仅是在讨论示波器的本底噪声如何影响眼图张开,同时也解释了一些关于如何尝试解决眼图张开不足,即眼高测试失败的问题的一些想法或角度。 .

    示波器甚至整个测量系统的本底噪声对眼图开度,即眼高测试结果有很大影响。当然,整个系统的其他评价指标,比如抖动甚至误码率(BER),当然也会有很大的影响。大的影响。由于篇幅有限,本文不在这里讨论。

    在串行信号速率不断提高的趋势下,高换速必然导致为系统预留的设计余量越来越紧。另一方面,来自市场降低成本的压力将继续压缩设计余量。因此,使用低噪底示波器进行测试成为业内从业者为系统设计预留更多余量的明智选择。此外,示波器的本底噪声也正在成为高速示波器继带宽、采样、存储、触发之后的第五大重要指标,也是选购和选型时***重要的评价指标之一。


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