用混合信号示波器调试分析混合/模拟和数字信号无线局域网

今天的许多设计都包括微处理器和数字信号处理器(DSP)，既包含模拟信号也包含数字信号。调试混合信号设计往往会在验证系统模拟成分的同时涉及与此相关的重要握手动作。设计中的数字信号可能非常快，而模拟信号则要慢的多。用常规双通道或四通道数字式示波器(DSO)观察和分析嵌入微控制器或DSP设计的多个相关信号也许相当困难，甚至完全不可能。增长着的复杂性、更快的时钟速率和边沿速度要求示波器有更多的通道和更高的带宽。

此外，如果您要以高分辨率同时观察和分析快数字信号和较慢的模拟信号，就需要用具有深存储器的示波器。您可用深存储器捕获较长的时间段，但除非测量设备响应迅速，否则很难找到您所关注的信号部分。今天的许多设计包含调制信号和长的串行数据流，重要的是要能迅速和容易地找到所关注的区域。容易的触发对复杂设计有重要的意义。

从1996年Agilent公司首次推出混合信号示波器(MSO)起，微处理器和DSP嵌入系统设计师就用这种仪器解决问题和调试设计。Agilent预见到今天混合信号设计复杂性和速度的飙升，设计了新的和改进的MSO。这些MSO有多达20个模拟和数字通道、高达1GHz的带宽、改进的数字定时性能和可用性、以及记录长度达16MB的MegaZoom深存储器。

调试32bit混合信号应用

MSO实现了用单台仪器同时观察您系统设计中较低频率的模拟信号和与其相关的较高速度的数字成分。这种能力使MSO成为关键的调试工具。有许多应用领域可使用MSO，包括实时模拟信号与数字控制信号的时间相关，以及数字系统中分析高速信号的模拟特性。不管是哪方面的应用，您都能用MSO更容易地分析和调试混合模拟和数字设计。

为说明MSO作为调试工具的价值，这篇应用指南为您介绍用Agilent Infiniium 54832D MSO调试混合/模拟和数字32 bit无线局域网(LAN)应用的例子，当然，这仅是MSO作为理想工具的许多可能应用中的一个例子。

调试32 bit无线局域网(LAN)应用

作为混合信号应用的例子，我们将研究如图1所示的802.11a无线局域网接入点。通常该系统的数据来自无线笔记本电脑，把信号解调至基带，然后将信号转换成有线信号，并送入LAN。

这一设计的二个主要部分通过PCMCIA接口通信。接入点天线有一个RF处理器，它解调传输信号，并将其送至基带处理器。基带处理器解码OFDM（正交频域调制）信号，把数据发送至嵌入系统，然后再将数据输出到LAN。该混合信号系统包括带有100MHz SDRAM的32 bit POWER PC嵌入式处理器和LAN控制器总线，该总线与处理器通信，并将数据发送到网络。

接入点是一种很小的设备，包括叠放在一起的2块电路板。图2是电路板未插入时的样子。整个系统是双向的，但在这一例子中我们只查看从计算机至网络的传输。

这一应用例子是经典的混合信号系统。这里有模拟、数字、嵌入处理器及DSP元件，要能够很快同时观察到这些混合信号，MSO无疑是理想的工具。

1、同时观察模拟和数字信号

图3示出MSO探头与接入点电路板上模拟和数字信号的连接。作为演示，我们将接入点接到LAN，然后用安装的无线局域网卡将信息发送到笔记本电脑。我们执行笔记本电脑Web浏览器的更新命令，然后在MSO上捕获所产生的信息包。

要用MSO模拟通道测量的信号是基带处理器输出、以太网信号输出，以及快SDRAM总线的一个数据位。本例中，SDRAM的边沿速度达到1ns。这样高的边沿速度需要用1GHz系统带宽的示波器精确测量和显示信号。MSO数字通道测量的信号包括在PowerPC和LAN控制器间运行的全双工4-bit总线一个方向上的信号和时钟信号。

该MSO共有16个数字通道，但我们在这一应用中仅选择观察5个数字通道。图4示出采集到上述接入点发送的一个信息包。在MSO的3个模拟通道上采集基带、以太网和SDRAM信号，在数字通道上采集的LAN控制器总线信号。模拟信号和数字信号间的迹线是多根数字信号的总线显示形式。您还可在MSO显示器底部看到基带信号的2 Mpt FFT计算结果。所有这些信号都是由一台仪器在一一次采集中获得，并在同一屏幕上显示。

图4 MSO使您能在一台仪器上看到所有时间相关的模拟、数字和谱信息。找到能捕获和分析一次采集所有数据的调试方法会使大多数工程师感到头痛。通常您必须把被测设备置于同样的状态，以测量所有的信号。然后需要移动探头、进行多次触发、在显示上保存波形，再寻找能使所有这些动作相关的方法。

您能用MSO同时捕获、显示和测量所有这些信息。它易于使用，具备DSO的所有功能，并且增加了数字通道和触发能力。由于能使您一次看到更多的通道和更长的时间，因而能简化调试过程。MSO可取代今天的DSO，正如您在图4的屏幕图上所见，MSO是方便、有效分析混合信号应用的优秀工具。

2、隔离出正确的信息

在这一例子中，传输信号中可能会有包错误，因而您可能需要隔离一个数据包，以查看系统内所产生的互动。所接的以太网线为同步突发，它标志向LAN传输的开始。LAN控制器的数据线上保持5ms持续时间的1010码型，在每个10 Mbit LAN包开始时产生这一同步突发。为隔离这一条件，我们把MSO设置为在5ms持续时间的1010码型上触发。图5显示MSO数字通道D1至D4上的1010码型，D0用于时钟。

由于54832D MSO有16个数字定时通道和4个模拟通道，您可用数字通道进行持续时间码型触发，例如在本案例数据包开始这样的条件下触发。事实上可以跨所有20个MSO通道触发。您可迅速和容易地用触发设置对话框设置数字通道，如图6所示。

由于有这些额外的数字通道，因而您可把4个模拟通道用于分析和测量所关注的其它系统信号。而在普通的4通道DSO中，您只能用4个通道产生触发，这样就没有多余的通道观察其它信号。

图5 使用MSO的16个数字通道触发。MSO设置为在5ms持续时间的1010码型上触发。使用普通的4通道DSO，则4个通道只能用于产生触发，而没有留给调试的通道。

图6 易于使用的对话框能进行快速的触发设置，触发可扩展到所有20个通道。MSO的数字通道连接探头前端及附件与Agilent 16700逻辑分析仪兼容。

尽管本例中没有示出，您仍能根据4个数字比特的状态设置触发条件。也可在触发条件中包括时钟线和模拟信号，以缩小问题的范围。使用Infiniium 54830D系列MSO，您可在20通道宽度在码型上触发。这是常规DSO不可能实现的。MSO为您调试混合信号系统提供了额外的触发和观察能力。

3、用总线模式提高可视性和洞察能力

图5中，以太网信号特性从显示右边改变了大约1.5格。这里是同步突发终止和真数据包开始的地方。为便于识别数据包的开始或任何其它关注条件，您可在总线模式配置下显示数字通道，以容易地识别数字码型。图7显示描述8个数字通道的总线。屏幕示出以16进制表示，并与系统中以太网信号相关的总线数据。在本例中，1010数字码型作为16进制A被识别，使您能更快和更容易地识别搜索条件。

您可以显示一或二条8bit的总线，每一条总线可以有2至16个相应通道。您也可分别显示任何给定的数字通道，不管它是否已经是一条或两条总线中的通道。16个数字定时通道不仅增加了触发能力，而且能通过这种易于使用的总线模式更深入地观察设计内部正在发生的情况。

如果用原先的调试解决方案，建立触发和信号的相关是费时和困难的。您需要用几台仪器设置触发，并找到确定仪器间时间相关的方法。MSO方便了触发和信号的相关。许多设计师都乐于用MSO调试他们的混合信号设计，因为它具有象总线模式这样的观察能力和跨20个通道的触发能力。

4、捕获长时间周期

为什么深存储器对于调试混合信号非常重要？因为它能使您实现长捕获时间和高分辨率。本例中由于信号速度范围的要求，您需要用深存储器以高分辨率捕获长时间周期。如果没有深存储器，您能够实现长时间周期或高分辨率，但二者不能兼而有之。示波器的采样率会随着减慢时基或扫描速度而改变。在减慢扫描速度时，示波器必须降低采样率，以捕获足够时间来填满整个显示。保持尽可能高的采样率是关键，因为它能为您保证在高分辨率下捕获信号，并消除混叠和测量错误。

图7数字信号可按总线编给,并观察作为16进制值的每一跳变.

在您调试混合系统时，往往并不确切知道问题是什么，因而不能设置示波器对其触发。您必须在某些更基本的事件，如跳变沿上触发，然后观察捕获的数据，以找到问题。这通常需要捕获长的时间范围，然后在显示器上缩放，因此长时间捕获和高分辨率是关键要求。也许最常见的情况是需要建立通常为数字信号的高速信号与较慢信号的相关关系。为了能在一次采集中正确测量这二种信号，您需要足够长的时间跨度显示出较慢信号的一个或多个完整的周期，您也需要有足够高的采样分辨率显示出快信号的所有细节。深存储器是提供这一能力的关键器件。pace="12" WIDTH="221" HEIGHT="166" BORDER=0 Title="图9屏幕显示与图8相同的采集,但放大了200,000倍!">

在本例中，您可用大约500?时间采集到完整的数据包。在每格200?的扫描速度下，需要用最小4 Mbyte的存储器观察采样率设置为2GSa/s的信息包。也就是需要用4 Mbyte的存储器捕获最基本的交易。如果存在任何错误或其它复杂交易，就需要有更多的存储器。

图8和图9示出深存储器在这一应用中的重要性。图8示出对较快SDRAM信号和较慢基带信号的采集。如果您观察图9中紫色迹线上的快SDRAM信号，您将看到放大200,000倍的同一采集。注意上升时间约为1.5ns，时间标度是2ns/格。在这项测量中，示波器停止运行，在原采集上进行分析。如果没有支持高采样率的深存储器，就几乎不可能有足够数据支持如此高的放大量。

MSO的MegaZoom深存储器自动调整存储器深度，因而在您改变时间/格时，示波器总是以可用的最高采样率和存储器深度进行采样。此外，MSO具有每通道2Mbyte深存储器的标准配置，因而能在一次采集捕获慢信号的同时，仍能看到快信号的细节。MSO自动保持基于最大存储器深度的采样率，因而您能看到最大的图景，然后放大细节，而不需要第二次触发。

传统上深存储器示波器波形更新率很慢，而且对用户输入响应迟钝。但这并不适用于MegaZoom深存储器。即使带有达16Mbyte的最深记录，MegaZoom深存储器也能立即响应您的改变。定制的体系结构实现了立即响应，它把数据捕获到采集存储器，在硬件中迅速进行数据的后处理，以用于显示和测量。这一体系结构使它能提供您要求的波形更新率和前面板响应，也使您的工作更轻松。

为了进行精确的1.5ns测量，您需要一个高保真有源探头，例如Agilent 1156A。1156A探头有非常低的输入电容和适合的阻尼附件，能实现令人满意的高保真测量。

图8您能用MSO观察混合信号.MegaZoom深存储器使您能捕获慢信号,然后对细节放大,而不需要第2次触发.

图9屏幕显示与图8相同的采集,但放大了200,000倍!MegaZoom深存储器支持高采样率,因而您可以通过放大看到信号细节,实现精确的测量.

5、频域测量和分析

观察图10中的基带信号，查看在SDRAM总线0 bit附近的时间情况。由于它来自无线信号，因此在频域观察也是很有意义的。您可用MSO进行FFT测量，就像用DSO一样。

图11示出基带信号的快速傅里叶变换。MSO对屏幕上的所有数据进行快速傅里叶变换。您可缩放所关注频率成分的时间记录部分。这也使比较时域信号不同区域谱成分变得容易。在本例中，大部分能量位于FFT的最左格。您可以看到能量如何跨越相当宽的频率范围。

图10 由于基带信号来自无线信号，因此通过执行FFT在频域观察也是很有意义的。

图11 基带信号的FFT。大部分能量位于FFT的最左格

图12示出了基带传输的开始。在FFT的第一水平格中，一些分立的谱线取代了宽而较为一致的频率成分分布。这些谱线说明基带数据包的开始有与有线边同样的同步周期。但在频域更容易看到这些情况。

图12中的FFT上有一些噪声尖峰。这些尖峰可能由系统中未注意的耦合造成。在这一接入点中的有线边有高功率的线路驱动器，它非常接近无线边的灵敏RF接收器，这可能会引发耦合问题。

6、时间相关的模拟、数字和谱信息

使用MSO的数字通道能帮助您更深入了解耦合的可能性。图13示出数字总线，时间延迟后移到非常接近于初始触发点。在这一应用的实时显示和调试中，前后移动水平延迟线，显示FFT测量上的噪声尖峰变化，和总线模式十六进制表示的LAN信号上的数据的关系。

分析工作的下一步将是确定数据序列和FFT显示上的最高噪声级的相关关系，并进一步分析这一条件。例如您可以改变PowerPC程序，重复发送对噪声尖峰有贡献的数据序列。然后用频谱分析功能更仔细查看FFT，以确定耦合的产生原因。

图12 再回到基带传输的开始，我们在FFT上看到噪声尖峰。有些噪声尖峰很像由系统中未注意的耦合造成。

图13 使用MSO的数字通道能帮助您更深入了解耦合的可能性。前后移动水平延迟线，显示FFT测量上的噪声尖峰变化，其幅度决定于总线模式时以十六进制数表示的LAN信号上的数据。