32GHz带宽实时示波器技术揭秘（五）

　　高端示波器（2GHz带宽或以上）的市场需求或应用通常分为四大领域，信号完整性测试、一致性测试、调试、分析，三大示波器公司在进入高端示波器领域的时候，通常选择的是其中一个或两个作为切入点，经过多年的自我发展和竞争挤压，已经露出各家追求的方向、风格和各自优势，图1概括了示波器市场需求的四个层面，信号完整性在示波器指标中的重要性，是最近几年的事情，标志性的变化是示波器的产品资料（Datasheet）中开始出现或强调两个东西，一是底噪声指标，另一个是降低噪声选件（实际的作用是灵活的带宽限制设定），磷化铟示波器的出现到底在哪一方面得到了实质性的突破？

　　安捷伦科技在2002年推出第一台4个通道同时支持6GHz带宽示波器的时候，打的是信号完整性的牌，当初只有一个应用软件，就是抖动分析软件，后来陆续推出高速串行信号分析软件、各种串行信号一致性测试软件、眼图故障定位和三级触发调试、协议触发和分析等功能，并在HDMI和USB领域几乎主导了所有官方测试认证实验室。磷化铟示波器出现，的确引发了新的应用软件，包括光信号调制分析软件，SAS 12Gbps 等，但这些都不是重点，磷化铟示波器最大的贡献是在信号完整性方面。

图1  高端示波器（2GHz带宽或以上）的示波器市场需求

　　磷化铟示波器在信号完整性方面的贡献在工程师的日常测试工作中可以从三个方面去体验：

　　眼图分析

　　均衡处理

　　去嵌入或加嵌入

　　眼图分析

　　90000 X系列磷化铟示波器因为本底噪声和本底测量抖动表现突出，与传统的锗硅示波器相比，在测量高速串行信号眼图的时候，能够看出明显的区别，图2显示同样是20GHz带宽的示波器，同样是10.3125 Gbps的伪随机码串行信号，磷化铟示波器测量到的眼睛更大，在眼高和眼宽方面，大的程度超过25% 。

　　图2   90000 X 系列磷化铟示波器和锗硅示波器，在20GHz带宽的情况下测量相同的10.3125Gbps信号眼图，磷化铟示波器测得眼图、眼高和眼宽优异程度超过25%

　　这主要是由这两种不同的半导体技术导致的示波器本底噪声不同造成的，另一个因素是两种技术的测量抖动底差异显着。 谈到本底噪声带来的差异，工程师通常会想到，本底噪声低意味着动态范围大，在这方面，频谱分析仪毫无疑问是远比示波器好的仪器，我们不妨以频谱分析仪为例，测量一下PCI-E Gen III 8Gbps的1010序列信号，实际上，就是4GHz的时钟，您可以看到如图3所示，基波（4GHz）、2次谐波（8GHz）、3次谐波（12GHz）、5次谐波（20GHz），这是因为频谱仪的动态范围足够大，在该例中，超过 80dBm；磷化铟示波器本底噪声的改进，仍然和频谱仪不能相提并论，这是因为示波器是宽带仪器，频谱仪是窄带仪器，和锗硅示波器相比，磷化铟示波器的改进是非常显着的，在该例中，锗硅示波器的本底噪声比价大，-26.6dBm，以至于完全淹没了该PCI-E Gen III 8Gbps信号的5次谐波，而磷化铟示波器，本底噪声小很多，-36dBm，三次谐波和5次谐波都清晰可见。 [p]

　　图3  用频谱仪测量PCI-E Gen III 8Gbps的1010序列信号，即4GHz时钟信号，可以清楚见到3次谐波（12GHz）和5次谐波（20GHz），图中锗硅示波器在100mv/div设置下的噪声底在-26.6dBm的位置，不仅淹没了2次谐波、4次谐波、5次谐波，也几乎淹没了3次谐波，而磷化铟示波器的噪声底在-36dBm 位置处，可清楚看到5次谐波

　　这里面引起一个思考，也是过往工程师很少考虑的，伴随着被测信号频率提升和示波器带宽的提高，有一个两难问题出现，一方面被测信号频率提升，其谐波频率自然跟着提升，因此需要更高带宽的示波器来量测，另一方面，高次谐波的能量往往比较低，示波器在保证带宽足够覆盖高次谐波的情况下，还要保证其低噪声不要将低能量的高次谐波淹没掉了。在以往，或测量低速信号时，人们只需考虑带宽而无需考虑示波器低噪声的。

　　除了本底噪声以外，工程师也常用有效比特来衡量示波器垂直系统，它反映的是电压波形幅值总体测量精度，将示波器本底噪声、谐波失真等因素综合考虑进去的一个指标，详情可另文撰写。图4显示出磷化铟示波器的有效位数（ENOB）远优异于锗硅示波器，最上面的曲线代表磷化铟示波器，在大部分情况下是6 比特左右，最坏的情况是5.5比特，而锗硅20GHz示波器最好的情况是5比特，最差情况不到3比特。

　图4   磷化铟示波器的有效位数（ENOB）远远优异于锗硅示波器

　　均衡处理

　　因为电路板材料在高频时呈现高损耗，目前的高速串行总线速度不断演进，使得流行的电路板材料达到极限，信号速度高到一定程度后，信号到达接收机端之后，已经有较大的损耗，因此可能导致接收端无法正确还原和解码信号，从而出现误码；如果直接观察这个时候接收端的眼图，它可能是闭合的。因此工程师可以有两种选择，一是在设计中使用较为昂贵的电路板材料，另外是仍然沿用现有材料，但采用某种技术补偿其损耗误差。考虑到低损耗电路板材料和线路的成本太高，我们通常都会优先选择补偿技术的做法。均衡就是这样一种技术，有了这一技术，FR4等传统电路板材料不至于很快被淘汰。使用均衡技术意味着在接收机上要使用均衡芯片或均衡算法。目前采用均衡技术的实例包括 SATA 6G、SAS 6G、光纤通道、PCI Express Gen2、USB3.0等。

　　人们在使用新技术的时候往往关注其带来的好处，忽视其负面效应，认识负面效应，对深度理解测量结果和被测对象实际上有非常大的帮助，那么均衡技术有什么负面效应，磷化铟示波器在均衡技术方面贡献的是什么？

　　理想情况下，被测信号经过被测对象上的布线时，所有的频率成分都会被均等地传递到电路的另一端，但是由于电路板材料的损耗，高频的成分相对于低中频成分往往被衰减得更多，如图5黑色实线所示。均衡技术从频域的角度看，就是对被衰减的高频成分进行放大补偿，从而使得低中高所有频率成分得到同等的放大或缩小待遇。图5显示两种均衡算法，一是FFE（前馈均衡）,另一是DFT（判决反馈均衡）的频域补偿等效图，虚线代表均衡算法如何对信号进行补偿，红线代表补偿后的最后结果，理想的情况下，是一条水平的平坦的线，在术语上，称作频响平坦度，说的是信号经过一段电路，其不同频率成分应该以相同的放大或缩小倍数被传递。

图5   均衡技术的频域补偿等效图

　　这里面有一个问题，无论是哪一种均衡技术，都是对高频成分进行信号放大，对示波器而言，就是将采集来的数据进行数据处理，对其高频部分放大；这里示波器采集来的数据包含了示波器本身噪声，因此放大高频信号的同时也不可避免地会放大了其本底噪声，示波器本底噪声越大，使用均衡技术的副作用越明显。磷化铟示波器的本底噪声低，虽然在采用均衡技术时，一样有副作用，但副作用已经相对很低了。所以，我说磷化铟示波器对均衡技术而言，最大的贡献是最小化了均衡技术的副作用。 [p]

　　去嵌入或加嵌入技术

　　随着电路系统的体积越来越小，电路密度越来越高，封装越来越高级，信号速度越来越快，电路材料FR4却因成本原因一直被采用，均衡技术 （和加重、去加重技术）只能解决接收端如何尽可能正确恢复信号的要求。在很多时候，我们需要更多的数学处理技术来完成高质量的测试，比如：

　　去嵌入：去掉信号路径中所有因素的影响；

　　去插入损耗：去掉信号路径中插入损耗因素的影响；

　　加嵌入：考虑增加一段信号路径后带来的影响；

　　虚拟探头：用虚拟的高阻探头来测电压波形；

　　参考测量面移动：实际可测点和想测的点位置不同，考虑数学方法实现测量参考面的移动。

　　以上的数学处理技术，一般用去嵌入或加嵌入来统称，但也有其它不同的表述方式，实现方法或复杂或简单，但基本上是要求提供信号路径的S参数，如图6，一个脉冲码型发生器产生3Gbps的伪随机信号，用一根6米长的电缆来连接到示波器以便测试。长电缆对高频信号是有损耗的，如图6左面波形所示，101010这样的高速序列信号幅度往往被衰减，图6右边采用去嵌入技术对信号进行补偿，你会发现信号幅度被补偿回来。从左图波形到右图波形，中间关键是找到那个传递函数，而在实际工作中，是借助S参数来实现的，长电缆的损耗体现在S参数上，主要是S12。

图6  去嵌入技术的核心是传递函数的确定，实现的方法则是借助仿真或实测的S参数

　　加嵌入和去嵌入是相反的过程，我们可以考虑直接连接被测对象的测试结果，然后再在被测对象和示波器间加上一段长电缆，如何推算出加一段电缆之后的测试结果？图7给出了一个例子，只要提供这根电缆的S参数即可，图的左边显示的是传递函数，右边则是脉冲响应和阶跃响应，频域工程师可能喜欢看左边的图，时域工程师则可能喜欢右边的图，从右边的图可以直接看出该电缆带来的时间延迟是15.2ns.

图7  加嵌入的核心也是传递函数的确定，实现的方法也是借助仿真或实测的S参数

　　因为嵌入和去嵌入技术的核心部分是S参数的引入，有两个概念，一个是实际测量到的波形，可能是在要测的被测点测到的，也可能是在距离想测的点一定距离处测得的，另一个是仿真波形或数学处理后的波形，后者是前者引入S参数仿真出的结果。实际测到的信号一定无可避免示波器的本底噪声也在其中，引入S参数后的后续数学处理是对实际测试信号的放大或缩小，因此无可避免同时处理了示波器本底噪声，磷化铟示波器因其本底噪声很小，则不用过分担心是否将无法剥离的示波器本底噪声放大了，从而怀疑测量结果的可信度。

　　回到篇首，磷化铟示波器的出现，到底在哪一方面得到实质性突破？我们可以看出其本底噪声和本底测量抖动底的极大改进，使得各种数学处理软件在高频信号分析时更具意义，包括眼图测量、均衡、去嵌入、加嵌入等技术，否则，若示波器硬件本身的误差已经不可忽视，再经过各种数学处理分析后被放大，其误差便可能直接影响测量结果的可信度。像眼图测试的例子，实际上也许你的被测对象应该是通过测试的，但因为示波器自身误差大，反而告诉你测量结果不通过。当然，这里要强调一下，本文的所有讨论，只对高速被测信号有意义，如果测量的信号速度不高，便没有这些差异性。