SPARQ系列述评之八 —— SPARQ 动态范围

 

我们普遍的共识是，动态范围强烈依赖于步进大小。每次步进幅度的倍增会让动态范围以6dB的大小上升，尽管高频成份在P(f)被描述（但是并不涉及脉冲发生器和采样器反应的不同之处）。

 

动态范围与随机噪声、线缆和夹具的损耗成正比关系，但是可以通过高采样率来补偿。实际采样率(或者说一次采样等待时间减小)的倍增会使动态范围以3dB的幅度上升（采样率10倍增使动态范围以10dB的幅度增加）。

 

在公式中，分母部分的表明，捕获时间的长度会对动态范围有比较大的影响。因为平方的原因使其对动态范围的影响是2 倍的关系。一个影响是噪声会被引入采样中。对于实际信号而言，测试捕获的波形只是其中一部分，而噪声则会影响到整个捕获过程。随着捕获时间的增加，信号中 噪声的量级并不会增加。Frac说明了去噪算法，提供了对采集区域限制也包含了信号对这种影响的抵消。第二个影响因素是均值。更长的捕获需要更长时间的采 样。现在一些更复杂的考虑则并非公认的。首先是噪声频带限制的影响（fbw）。很多情况下，在等时间采样范围内的噪声是白噪声。如果主要的噪声来源于 ADC的量化影响，则以上表述就尤其正确。这就意味着全部噪声能量是符合乃奎斯特定律。这种情况下,fbw=且 忽略这些项目。这种状况下，动态范围完全依赖于等时采样率。这样似乎与正常的想法不一样，一般来说增加采样率会导致更多的噪声以至于超出了感兴趣的频谱范 围，但是这个影响是完全可以通过捕获时间增加来消除，因此采样数量的增加是能够被平均的。当走线噪声是在规范定义的带宽限制内时（这也是大多数的情况）， 动态范围事实上可以通过来计算，当然看起来似乎是不合规律的，但你需要考虑到这个频率限制是符合乃奎斯特定律的，同时捕获不必要过采样（当然这是理论上的，而不是实际上的运算考虑）。为了取得在限制带宽和非限制对噪声的影响，必须要使用这种调整来比较。

 

SPARQ动态范围技术

SPARQ设计中有几个关键的影响动态范围的方面做了折衷考虑。让SPARQ能够同时满足低成本和易用性，通过使用一个脉冲发生器和2个采样器实现低成本 和易用性，原因是TDR发生器是主要的成本来源。而使用最小工作配置的脉冲发生器/采样器也能够与易用性相吻合。因为单一脉冲发生器和采样器必须要能够在 测试时与每一个SPARQ的端口相连接，这就需要一个高频率的开关装置，这个开关设备能够将测试设备校准到内部的标准参考面而不需要多次的连接和断开的动 作。这个内部校准能力可以实现更简单方便的操作。这个能力也是SPARQ动态范围较大的一个标签，因为开关系统增加了整个系统的损耗，更重要的是它增加了 长度。

 

正如我们在动态范围公式中看到的，设备中内部脉冲发生器/采样器和设备前面板端口之间路径的损耗使动态范围减小了2次，因为信号必须要从脉冲发生器产生然 后到端口，中间经过DUT，最后经过端口返回采样器。事实上，这个过程使SPARQ的动态范围下降了7dB。长度是一个更大的因素，因为最终的捕获长度包 含了至少4次的系统增加的额外长度。这将使SPARQ的动态范围下降13dB。所以，总共使动态范围下降了20dB左右。

 

如果设计仅仅到此，那么SPARQ就只是一个廉价的对实际测试没有更大帮助的设备，但事实上SPARQ包含的很多技术指标不仅能有效纠正20dB动态范围的减小，同时也能够提供比其他基于TDR方案的设备更高的动态范围。

 

第一个特点是脉冲发生器/采样器的响应。大部分的TDR系统使用高幅值（250mV）但频率成分比较少的脉冲。SPARQ使用相似幅度的脉冲，但其脉冲响 应却能使40GHz时的动态范围上升12dB。事实上，这个脉冲发生器/采样器的影响直到65GHz时才为0dB. 这个脉冲发生器/采样器是非常高频的。其他的都不能提供类似的脉冲，因为SPARQ的脉冲看起来并不是非常漂亮—它有80%-100%的过冲—在传统的以 视觉检验脉冲响应的TDR应用中显的没有什么吸引力。SPARQ的主要任务是提供S参数和校准时域响应，这些也是动态范围和精确度的需要—超越视觉吸引力 的真实脉冲。总之，通过非平坦脉冲能够使动态范围提升12dB。

第二个特点是被力科专利保护的连续间隔采样（CIS）。传统的TDR系统是基于顺序采样，这种采样方式速度慢且来自时基非线性影响也是不能忍受的。一些顺 序采样也可能带来更多的错误。时基非线性不会对动态范围产生负面影响，但可能对精确度产生负面影响。力科的CIS能够提供采样时钟，这个时钟在使用 10MS/s采样5MHz的重复TDR脉冲时产生轻微的偏移。这就允许更高的采样率而不会有时基非线性的问题。CIS不仅有更好的精确度，它也使建立和操 作硬件的快速平均更加简单。相对于其他顺序采样系统而言，采样系统的速度提升能够带来12dB-18dB的动态范围提升。不幸的是，当采样器的采样率提升 时会带来更大的噪声，所以考虑到高采样率下噪声的增加，整体系统的动态范围只能提升6dB. 最后说明的是，由于这个好处很大程度上依赖快速平均，所以设备本身的设计非常重要，要确保平均过程能够真正提升动态范围。测试内容见附录C effect of Averaging

 

最后一个特点是采用Wavelet denoising的数字信号处理技术来消除噪声。这类技术通常用于雷达、图形处理、心电图系统。这类技术的影响很难被量化，但最简单的观察它的影响的方 法是：这种去噪算法消除了在没有反射时捕获持续更长时间时产生的噪声。对于一个比较走线较短的设备，这种处理能增加约10dB的动态范围，对于走线较长的 设备，动态范围的提升更大明显。当设备端口间有更好的隔离时，wavejet denoising技术可以带来远大于10dB的动态范围提升。

以上3个技术特点，使SPARQ的动态范围可以提升26dB，这使的SPARQ的动态范围在消除为实现低成本和易用性而产生的20dB下降后，仍能提升6dB。这是噪声的一半或者2倍的频率，无论你想用那种方式。