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网络分析仪与采样示波器TDR的优势比较
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序言
最近几年随着多Gbps传输的普及，数字通信标准的比特率也在迅速提升。例如， USB 3.0的比特率达到 5 Gbps。比特率的提高使得在传统数字系统中不曾见过的问题显现了出来。诸如反射和损耗的问题会造成数字信号失真，导致出现误码。另外由于保证器件正确工作的可接受时间裕量不断减少，信号路径上的时序偏差问题变得非常重要。杂散电容所产生的辐射电磁波和耦合会导致串扰，使器件工作出现错误。随着电路越来越小、越来越紧密，这一问题也就越来越明显。更糟糕的是，电源电压的降低将会导致信噪比降低，使器件的工作更容易受到噪声的影响。尽管这些问题增加了数字电路设计的难度，但是设计人员在缩短开发时间上受到的压力丝毫没有减轻。
随着比特率的提高，尽管无法避免上述问题，但是使用高精度的测量仪器可以对此类问题进行检测和表征。以下是使用仪器处理这些问题时必须要遵守的测量要求:
a.在更宽的频率范围都要有很大的测量动态范围
实现高动态范围的一种方法是降低噪声。如果仪器噪声达到最低水平，就可以把很小的信号(例如串扰信号)测量出来。精确地测量高频元器件也很关键，因为它们是导致信号完整性问题的最常见原因。
b.激励信号要能精确地同步起来
在测量多条微带线之间信号的时序偏差时，精确同步的激励信号更能保证精确的测量结果。
c.快速进行测量并刷新仪表屏幕上显示的测量结果
能够快速进行测量并刷新所显示的测量结果可以使产品的设计效率更高并提高生产吞吐量。
传统上，基于采样示波器的时域反射计 (TDR)一直用于电缆和印刷电路板的测试。由于这种示波器的噪声相对较大，同时实现高动态范围和快速测量具有一定难度，虽然通过取平均法可以降低噪声，但是这会影响测量速度。示波器上用于测量时序偏差的多个信号源之间的抖动，也会导致测量误差。此外，给 TDR示波器设计静电放电(ESD)保护电路非常困难，因此 TDR示波器容易被 ESD损坏。
这些问题只凭 TDR示波器基本上很难解决，只有通过 E5071C-TDR —基于矢量网络分析仪(VNA)的 TDR解决方案才能解决。
使用矢量网络分析仪进行时域反射计测量
VNA进行哪些测量?
VNA是测量被测件 (DUT)频率响应的仪器，测量的时候给被测器件输入一个正弦波激励信号，然后通过计算输入信号与传输信号 (S21)或反射信号 (S11)之间的矢量幅度比 (图 2)得到测量结果; 在测量的频率范围内对输入的信号进行扫描就可以获得被测器件的频率响应特性(图3); 在测量接收机中使用带通滤波器可以把噪声和不需要的信号从测量结果中去掉，提高测量精度。
图 3. 在测量频率范围内扫描正弦波激励信号，就可用 VNA测得被测器件的频率响应特性。
从频域变换到时域 (傅立叶逆变换)
众所周知，频域和时域之间的关系可以通过傅立叶理论来描述。通过对使用VNA获得的反射和传输频率响应特性进行傅立叶逆变换，可以获得时域上的冲激响应特性 (图4)。再通过对冲激响应特性进行积分，可得到阶跃响应特性。这和在TDR示波器上观察到的响应特性是一样的。由于积分计算非常耗时，因此实际上使用的方法是在频域中根据傅立叶变换的卷积原理进行计算 —把输入信号的傅立叶变换和被测件的频率响应特性进行卷积，然后再对结果实施傅立叶逆变换。由于在时域中的积分也可使用频域中的卷积来描述，因此我们可以快速计算出阶跃响应特性。
图 7. VNA降低噪声的原理
接下来对比的是在相同的时间测量范围 (T)和时间分辨率条件下得到时域响应特性所需要的测量时间。
使用 TDR示波器测量时，为了在物理采样频率 fP下获得等效采样时间 fE，测量需要多花 fE/fP倍的时间来完成(如图 7所示)。当测量时间长度为 T时，则需要测量 T x fE个数据点 (M)，测量时间为 T x fP/fS。使用 VNA进行测量，如要获得相同的时域响应特性的话(如图 9所示)，则需要以 1/T作为频率扫描的步长，并测量 M*2个数据点。单个数据点的测量时间主要由带通滤波器决定，等于 1/fIF。因此总测量时间为 M x 1/fIF，等于(Tx fE)x 1/fIF。
对比结果可知，在 VNA进行一次测量扫描的时间内，TDR示波器可以测量 fP/fIF次。由于将信号波形平均 L次会使得噪声与成正比下降，与 VNA相比， TDR示波器能够将动态范围扩大 10 log(fP/fIF)dB。
图 9. 用 VNA测量时，恢复的波形与测量时间的关系。
要想对比真实的动态范围，就必须要在测量时间相同的条件下进行对比。因此，必须将VNA通过使用带通滤波器所带来的在动态范围上的改善和TDR示波器通过多次平均所达到的在动态范围上的改善这些因素都考虑在内。
通常，TDR示波器的物理采样频率 (fP)远低于 TDR示波器的截止频率 (fC)， VNA的动态范围要高出 TDR示波器动态范围的 10 log(fC/fP)倍(表 1)。要通过取平均法在TDR示波器上获得与VNA示波器相同的动态范围，TDR的测量时间将延长 fC/fP倍。
以上内容主要讨论了时域响应的动态范围。频域测量对当今高速数字通信系统的重要性日益凸显。例如，要测量串扰效应，则精确测量高频响应至关重要，因此必须使用在高频时具有宽动态范围的仪器进行测量。下面我们将重点对比VNA与TDR示波器的频域动态范围。我们在本节会对一些要点和结果进行讨论，与此有关的详细分析请参见附录。
因为我们假设激励信号功率在整个频率范围内是保持恒定的，因此在VNA的整个测量频率范围内可以得到相同的动态范围。TDR示波器的阶跃激励经傅立叶变换后变为 δ (f)/2 + 1/(2∏jf)，其中包括了一个与频率的提高成反比的较大的 DC分量。图 10比较了 VNA与 TDR示波器在相同频率范围和分辨率条件下的动态范围。对于 N个点的测量，动态范围 10log (fC/fP)dB在
/2∏点出现差异。频率越高，VNA在动态范围方面的优势越大 (请参阅附件了解详情)。
图 15. E5071C-TDR用户界面使工程师可以同时进行时域和频域测量以及灵活地选择设置
图 16. E5071C-TDR用户界面无需使用额外的码型发生器便可生成仿真眼图
总结
此前，我们已经对比了 VNA TDR (E5071C-TDR)和示波器 TDR的测量限制与精度。结果显示，在 E5071C-TDR上执行的 TDR测量与在传统 TDR示波器上执行的测量相关。此外，我们还讨论了 E5071C TDR的大动态范围、更出色的信号源稳定性以及更高的测量稳定性。E5071C-TDR简单和直观的用户界面克服了传统 VNA用户界面难以使用的问题，为高速串行互连分析提供了综合解决方案。选择 E5071C-TDR进行 TDR测量能够带来许多优势。
