摘要

當(dāng)測(cè)量承載高速數(shù)據(jù)的信號(hào)時(shí)，去嵌入是消除電纜、探頭、夾具及連接器影響的關(guān)鍵手段。然而，去嵌入也可能過(guò)度增強(qiáng)儀器噪聲。本文闡述了通過(guò)高速信號(hào)去嵌入信道效應(yīng)的挑戰(zhàn)，尤其在管理示波器噪聲方面。還闡述了在7系列DPO示波器中采用新方法，即如何使用軟硬件專利組合對(duì)示波器的本地噪聲進(jìn)行整形，以降低儀器噪聲對(duì)去嵌入信號(hào)的影響。文中通過(guò)多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明QuietChannel新技術(shù)效果，及其優(yōu)勢(shì)如何隨信道長(zhǎng)度增加而增加。文中還包含關(guān)于配置均衡的簡(jiǎn)短內(nèi)容。

當(dāng)前技術(shù)差距

當(dāng)達(dá)到10Gb/s數(shù)據(jù)速率以后，高速串行信號(hào)的測(cè)量（尤其作為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試的一部分）需采用去嵌入技術(shù)處理電纜、封裝和電路板。隨著數(shù)據(jù)速率提高，信道損耗的影響也隨之增加，而示波器精確表示去嵌入信號(hào)的能力也因數(shù)字轉(zhuǎn)換器的噪聲受限。如果儀器沒有噪聲，則原始信號(hào)可通過(guò)去嵌入完美表示?，F(xiàn)代示波器的本底噪聲已取得極大改善，但當(dāng)去嵌濾波器對(duì)其放大時(shí)，儀器噪聲仍會(huì)導(dǎo)致顯著誤差。

圖1. 在通道損耗前后，20Gb/SPRBS信號(hào)的頻率成分。

例如，圖1所示為20Gb/s PRBS信號(hào)在信道損耗前后的頻率內(nèi)容。測(cè)量邊沿速率和表征信號(hào)特性（如預(yù)加重）需要捕獲更高頻率的信號(hào)分量。

圖2所示為示波器的基本模型。噪聲在多個(gè)位置進(jìn)行建模。前置放大器輸入端的噪聲位于增益之前，并伴隨儀器的垂直刻度而變化。前置放大器輸出端的噪聲及ADC的噪聲通常不隨儀器的垂直刻度而變化。用于高速串行測(cè)量時(shí)，大多數(shù)垂直刻度設(shè)置下，前置放大器的增益較低，ADC噪聲占主導(dǎo)地位?，F(xiàn)代示波器中的Scope DSP模塊應(yīng)用了濾波和均衡來(lái)處理儀器內(nèi)部的信號(hào)路徑。軟件去嵌模塊是一種用于補(bǔ)償示波器外部有損信號(hào)路徑的工具 – 包括電纜、連接器和線路。該模塊通常使用S參數(shù)來(lái)描述通向示波器輸入端的外部信道中的損耗。對(duì)于7系列DPO，信號(hào)完整性建模 (SIM) 軟件執(zhí)行去嵌入以補(bǔ)償外部信號(hào)路徑元素。

圖2. 含軟件去嵌入的傳統(tǒng)示波器信號(hào)路徑。除增強(qiáng)高頻信號(hào)功率外，去嵌入還會(huì)增強(qiáng)示波器噪聲。

圖2右下角的曲線即示波器的帶寬和與頻率相關(guān)的示波器本底噪聲。由于在更高頻率下信道損耗更大，去嵌入通常會(huì)提升更高頻率的幅度。這種提升不僅應(yīng)用于信號(hào)，還應(yīng)用于儀器噪聲，導(dǎo)致如圖2所示的本底噪聲。請(qǐng)注意，信號(hào)不會(huì)因去嵌入失真，因信道損耗應(yīng)用后再被移除，從而達(dá)到了平衡。示波器本底噪聲本身不受信道損耗的影響。然而，去嵌入會(huì)使示波器噪聲增強(qiáng)，因此隨著頻率的增加，示波器本底噪聲也會(huì)增加。

圖3. 使用去嵌入和QuietChannel技術(shù)的示波器噪聲。前置放大器中的均衡器在示波器DSP中為反向，使得示波器的本底噪聲得以有效改善。

圖3所示為實(shí)施QuietChannel技術(shù)的示波器模型。在這種情況下，前置放大器設(shè)計(jì)了可選擇的頻率響應(yīng)，可以增強(qiáng)信號(hào)的高頻內(nèi)容。傳遞函數(shù)是一種連續(xù)時(shí)間線性均衡 (CTLE)，通常用于校正傳輸線中的損耗。

ADC采樣后，伴有噪聲，通過(guò)對(duì)DSP前置放大器增益反向操作，達(dá)到頻率響應(yīng)平坦化。右下方圖表顯示了測(cè)試結(jié)果：示波器帶寬較平坦，但本底噪聲在更高頻段呈現(xiàn)衰減。

QuietChannel技術(shù)實(shí)驗(yàn)

為展示這項(xiàng)技術(shù)效果，研究人員進(jìn)行了三項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，并在文中加以描述。實(shí)驗(yàn)設(shè)置包括一個(gè)能夠產(chǎn)生28Gb/秒數(shù)據(jù)的誤碼率測(cè)試儀（BERT）。BERT產(chǎn)生的偽隨機(jī)二進(jìn)制序列（PRBS）通過(guò)由Megtron 6材料制成的PCB傳輸，配有高質(zhì)量連接器和長(zhǎng)度不一的帶狀線，用于創(chuàng)建符號(hào)間干擾（ISI板）。使用Tektronix 7系列示波器的兩個(gè)信道測(cè)量差分信號(hào)，該示波器首次采用QuietChannel技術(shù)。

所有實(shí)驗(yàn)中，使用Tektronix信號(hào)完整性建模（SIM） 軟件，從測(cè)量信號(hào)中去嵌入PCB損耗。部分標(biāo)準(zhǔn)會(huì)采用連續(xù)時(shí)間線性均衡 （CTLE）技術(shù)，該技術(shù)可與去嵌入配合使用，或替代去嵌入。本實(shí)驗(yàn)沒有使用CTLE，但 QuietChannel技術(shù)產(chǎn)生的效果相似。

圖4. 實(shí)驗(yàn)測(cè)試設(shè)置。使用BERT（左）通過(guò)不同長(zhǎng)度的信道驅(qū)動(dòng) PRBS測(cè)試信號(hào)。7系列DPO采用QuietChannel技術(shù)，用于測(cè)量產(chǎn)生的信號(hào)。

第一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)使用20Gb/s數(shù)據(jù)，通過(guò)17英寸帶狀線運(yùn)行。該信道的插入損耗如圖5所示。

圖2a

圖2b

圖5. ISI板上17英寸傳輸線對(duì)的插入損耗。

對(duì)于本實(shí)驗(yàn)20Gb/s數(shù)據(jù)速率，相當(dāng)于10GHz基頻時(shí)需要去嵌入約15dB損耗，但在20GHz去嵌入濾波器帶寬限制下，需要去嵌入近30dB損耗。圖6顯示了未使用QuietChannel技術(shù)的測(cè)量結(jié)果。底部波形（紫色）是未去嵌入的差分對(duì)。上方的橙色波形是已去嵌的波形，由SIM創(chuàng)建。左上方的眼圖基于未去嵌入的差分對(duì)，在本次實(shí)驗(yàn)中完全閉合。右上方波形為去嵌入波形眼圖，測(cè)量1和3顯示了抖動(dòng)細(xì)節(jié)。

圖6. 未采用QuietChannel技術(shù)時(shí)，通過(guò)17英寸走線實(shí)現(xiàn)20Gb/s傳輸速率。

圖7. 采用QuietChannel技術(shù)后，通過(guò)17英寸走線實(shí)現(xiàn)20Gb/s傳輸速率。眼圖高度增加了3%。

圖7顯示了使用QuietChannel技術(shù)的同測(cè)量結(jié)果。在這種相對(duì)較短的走線上，我們看到眼圖高度提高了3%，寬度提高了1%。這一幅度可能不大明顯，但可能會(huì)對(duì)是否通過(guò)合規(guī)測(cè)試有顯著影響，或?qū)е铝悸蚀蠓陆怠Ｏ乱唤M實(shí)驗(yàn)將展示這種影響如何隨信道損耗而增加。

第二項(xiàng)實(shí)驗(yàn)保持其他條件不變，但I(xiàn)SI板上切換為24英寸長(zhǎng)走線。圖8顯示損耗在10GHz基頻處增加到20dB，在20GHz SIM濾波器頻率限制處接近35dB。此時(shí)損耗增加幅度較小，但QuietChannel技術(shù)的效果更加顯著。數(shù)據(jù)速率越高，這種損耗越真實(shí)，而且大大低于許多信道損耗。相較于現(xiàn)在的20dB損耗，現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)在同一基頻處能達(dá)到25-30dB損耗。

圖8. 24英寸ISI板插入損耗

圖9示的眼圖截圖中，左側(cè)為未使用QuietChannel技術(shù)，右側(cè)為使用了QuietChannel技術(shù)。這里我們可以看到眼圖有一處明顯差異，測(cè)量顯示，眼寬增加了31%，眼高增加了34%。注意，此處隨機(jī)抖動(dòng) (RJ) 大幅減少了約40%。RJ減少由更低的噪聲造成，因?yàn)樵诓蓸涌焖俚倪呇貢r(shí)，噪聲會(huì)轉(zhuǎn)化為隨機(jī)抖動(dòng)。

圖9. 對(duì)同一條24英寸走線，進(jìn)行20Gb/s速率下的信號(hào)去嵌入左側(cè)眼圖未使用QuietChannel技術(shù)測(cè)量，顯示隨機(jī)抖動(dòng) (RJ) 為1.4ps。右側(cè)眼圖采用了QuietChannel技術(shù)測(cè)量，顯示隨機(jī)抖動(dòng) (RJ) 為860fs。

為了解QuietChannel技術(shù)如何產(chǎn)生這一效果，我們可以分別查看使用和未使用QuietChannel技術(shù)時(shí)的信號(hào)和本底噪聲FFT。第三項(xiàng)實(shí)驗(yàn)使用16Gb/s信號(hào)，采用31英寸長(zhǎng)走線，在8GHz基頻損耗為20dB，在二諧波損耗為35dB。在圖10中，Math 3（紅色走線）快速傅里葉變換（FFT）顯示了疊加在示波器固有本底噪聲上的PRBS信號(hào)狀態(tài)。Math 4（綠色走線）頂部FFT顯示了已去嵌信道損耗的SIM波形FFT。此處信號(hào)和噪聲以同等程度增強(qiáng)。

圖10. 未使用QuietChannel技術(shù)，通過(guò)31英寸走線傳輸16Gb/s信號(hào)的FFT。

在圖11中，眼高增加了一倍多，這在FFT中可見信噪比中可觀察到。這是由QuietChannel技術(shù)實(shí)現(xiàn)噪聲整形所致。

圖11. 使用QuietChannel技術(shù)后，通過(guò)31英寸走線傳輸16Gb/s信號(hào)的FFT。眼高增加了一倍多。

圖12為FFT的放大視圖，上方為關(guān)閉QuietChannel技術(shù)，下方為啟用QuietChannel技術(shù)。信噪比提高了約5dB，因?yàn)槭静ㄆ鞅镜自肼曉谳^高頻率下被整形。

圖12. 未使用QuietChannel技術(shù)（上）和使用QuietChannel技術(shù)（下）的FFT對(duì)比。

QuietChannel技術(shù)的噪聲整形可用于諸多應(yīng)用場(chǎng)景。對(duì)于需要去嵌入的高速串行應(yīng)用，這是一項(xiàng)革命性技術(shù)，能為發(fā)射端波形提供更準(zhǔn)確的視圖。

QuietChannel技術(shù)設(shè)置

7系列DPO示波器是首批采用QuietChannel技術(shù)的儀器。本次產(chǎn)品中，針對(duì)不同程度、信道損耗斜率以及比特率，前置放大器ASIC具有7種不同的QuietChannel技術(shù)設(shè)置。圖13展示了7系列DPO用于配置信道的面板。

圖13. 靜音通道技術(shù)設(shè)置。

確定具體被測(cè)設(shè)備（DUT）使用哪種設(shè)置可能具有一定難度。最佳設(shè)置可能會(huì)隨比特率、驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度和預(yù)加重設(shè)置而變化?！爱?dāng)前信號(hào)優(yōu)化”按鈕可根據(jù)當(dāng)前測(cè)量的信號(hào)，優(yōu)化示波器信道信噪比。示波器軟件會(huì)評(píng)估每種QuietChannel技術(shù)設(shè)置（包括關(guān)閉狀態(tài)）下的信噪比。這能為當(dāng)前發(fā)射器和信道條件找到最佳設(shè)置。測(cè)試多個(gè)設(shè)備時(shí)，也可手動(dòng)調(diào)整，保持設(shè)置一致。

當(dāng)測(cè)量承載高速數(shù)據(jù)的信號(hào)時(shí)，去嵌入是消除電纜、探頭、夾具及連接器影響的關(guān)鍵手段。多數(shù)情況下，去嵌入對(duì)于合規(guī)性測(cè)試不可或缺。然而，去嵌入也會(huì)增強(qiáng)儀器噪聲，導(dǎo)致儀器噪聲對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生負(fù)面影響。本文闡述了運(yùn)用于7系列DPO示波器中的這項(xiàng)專利技術(shù)如何通過(guò)硬軟件獨(dú)特組合以“整形示波器本底噪聲”，并減少儀器噪聲對(duì)去嵌入信號(hào)的影響。已開展多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證QuietChannel的技術(shù)價(jià)值，尤其是在對(duì)有損信道進(jìn)行去嵌入時(shí)，該技術(shù)的價(jià)值更為顯著。