示波器本底噪声对眼图有什么影响？

    示波器作为数字信号调试和分析的通用工具，近十多年来在高速串行信号的一致性测试和分析中得到了广泛应用，从最初的 USB2.0/Ethernet 等到当下热门 HDMI2.0/USB3.x/Display Port/PCIE等。近几年，随着信号速率的持续推高和信号处理技术发展的需要，示波器在高速眼图调试和分析中也已经日益成为最重要的工具，广泛应用在 10G/40G/100G 高速信号传输的眼图调试中。

    传统上，我们通常对示波器的四个常规指标如带宽，采样率，存储和触发的重要性都有很深刻的认识，本文在此不再赘述。

    首先我们来看看示波器的本底噪声来自于哪里？

示波器的本底噪声

    典型的数字示波器的架构如下图1示：

▲ 图1示波器的典型结构图

    示波器的模拟带宽主要取决于衰减器，其主要作用是将大信号衰减到ADC的最佳工作量程范围内，而放大器则是为了对小信号放大到ADC的最佳工作量程范围内。示波器的本底噪声也主要来自于上图中的衰减器和前置放大器部分,这是任何电路和部件本身无法完全消除的，这个本底噪声会叠加在信号上，ADC在采样时是无法区分的也即ADC采样时会全部量化，而这个本底噪声也会被当成为信号的一部分。衰减器在对信号衰减后，示波器在完成采样后做信号处理时重新放大信号,而这个重新放大的过程同时也会把前端的衰减器的本底噪声进行放大。

▲ 图2 本底噪声如何引入示意

    因此作为示波器前端部件性能的衡量指标的本底噪声数值就成为示波器产品手册上必须标注的一个指标。

    那么这一指标参数到底对高速串行信号眼图测试的影响有多大呢？

眼图测试

    眼图测试的必测参数之一是眼高：

▲ 图3 眼图测试示意图

    上图是一个典型的眼图测试各指标的示意图。其中眼高定义如下：

Eye Height = (PTop_{mean-3*PTopsigma)-(PBasemean+3*PBasesigma)}

    PTop_sigma即为眼图波形顶部的噪声标准偏差或均方根值，PBase_sigma为眼图波形底部的噪声标准偏差或均方根值。由此可见，眼高最终结果与波形噪声标准偏差有直接关系。而波形噪声标准偏差不仅仅与波形本身有关，如前文所述与示波器的本底噪声也是紧密相关的。

    如下图示，即便是同品牌同带宽的示波器产品, 本底噪声水平也是不同的。这里是两款 4 GHz 带宽示波器测试同一个信号的眼图。两款示波器的带宽、垂直/水平设置完全相同。您可以看到, 右图 Infiniium S 系列示波器由于其低噪底和10bit ADC等特性更真实地再现了信号的眼图, 眼图高度比左图高 200 mV,提供了一个误差更小精度更高的测量结果。

▲ 图4 不同底噪的示波器眼图测试效果差异

    以上我们讨论了示波器的本底噪声对串行信号眼图测试精度的直接影响。

    在众多接口类高速串行信号物理层一致性测试(Compliance Test)中,如 USB3.x/ HDMI2.0/DP/SATA/PCIE3.0/SFP+ 等，为了实现一致性测试的标准化和兼容性通常采用夹具配合高频电缆将信号连接到示波器上。随着信号速率的持续推高，夹具的有限带宽正在日益成为高速信号测试中的误差来源之一。以HDMI2.0测试为例，下图是由Wilder公司提供的HDMI2.0 TPA-P夹具。根据Wilder公司的数据，去除(De-Embedding)夹具中的连接器引起的损耗后-3dB带宽可达26.5GHz与去除之前相比有非常显著的改善。也就是说在实际的测试系统中，由于夹具有限性能引入了额外的测试误差，事实上夹具本身不是真实运行系统中的一部分而只是为了归一化测试环境和方便测试。在今天的高速串行信号测试中随着信号速率的提高，系统裕量越来越小，夹具引入的测试误差已经成为不可忽略的因素,因此夹具的去嵌正在成为高速串行信号一致性测试中的一部分。

▲ 图5 Wilder公司HDMI2.0夹具和夹具去嵌效果示意图

既然去嵌如此重要，那么去嵌的原理是什么呢？

 去嵌的原理

▲ 图6 夹具去嵌理论示意图

    如上图所示,最下方的曲线是夹具本身的频响曲线,其-3dB频点在5GHz左右。采用黄色曲线进行逆向放大后得到最终中间的曲线其-3dB频点在9GHz左右，大大的补偿了夹具在5GHz-9GHz的损耗.前面描述的这个过程就是夹具的去嵌(De-Embedding),也就是说通过这个信号处理将额外的为了方便测试和标准化而引入的夹具带来的信号损耗或误差进行了放大补偿。在这个放大的过程中，除了对信号进行放大，也会放大示波器的本底噪声,从而引入更多额外的测试误差和不确定性。因此低本底噪声的示波器会带来更高的眼图张开度,即眼高。

    以上讨论的对夹具所做的去嵌的处理，有时也会用在对电缆上。在Infiniium系列示波器上有可以自动完成对夹具和电缆的去嵌的选件。

    如图7所示，左边的眼图是没有做电缆损耗去嵌之前测试的结果，右边的眼图是去嵌电缆损耗后得到的结果，很明显地眼睛张开度大幅提高了35mV左右。但是同时也可以看到眼睛的眼皮变厚了即噪声在这个过程中不可避免地被放大了。低本底噪声的示波器在这个去嵌放大的过程中由于其低本底噪声必然会得到更加优异的测试效果。更多关于夹具和电缆去嵌及嵌入的方法。具体请参考文献5.

▲ 图7 去嵌前后眼图测试效果对比

    今天的串行高速信号处理中，除了上面提到的夹具和电缆去嵌对本底噪声的放大的影响外，还有一个更为普遍的是高速串行链路接收端(Receiver)里的均衡(Equalization)，包括前向均衡FFE( Feed-Forward Equalization)和后向均衡DFE(Decision Feedback Equalization ).典型地如USB3.x  Gen1 5Gbps里的接收机里的CTLE(Continuous Linear Equalizer,FFE的一种)均衡：

▲ 图8 USB3.0接收端CTLE均衡示意图

    上图中可以看到800MHz-8GHz频带范围内，接收机里的CTLE对信号均在作一放大，最高达3dB左右。这一放大主要是为了补偿信号由于传输链路的的有限带通引起的损耗。在实际的测试过程中，无论是夹具还是示波器的探头都不可能探测到接收机里的均衡后信号。因此这个均衡处理都需要示波器里的分析软件来完成，比如针对USB3.x测试,如下图所示中红色标线处的CTLE  On即代表示波器的一致性分析软件里接收端的CTLE均衡算法将打开：

▲ 图9 USB3.1 一致性测试软件设置界面

    当示波器软件执行均衡算法时必然也会放大仪器的本底噪声，从而削减预留的裕量。在均衡放大的过程中类似于夹具去嵌，除了对信号进行放大，也会放大示波器的本底噪声,从而引入更多额外的测试误差和不确定性。因此同理低本底噪声的示波器会带来更高的眼图张开度,即眼高。

    在很多标准的一致性测试中，引入夹具进行规范化的一致性测试。但是在某些场合下也需要采用探头进行测试，比如需要高阻测试的场合或者多链路同时测试比如HDMI2.0等。探头本身也是会有一定衰减,当探头在示波器外部对信号衰减的时候，示波器会再对信号进行放大，这个放大过程也会对示波器的本底噪声进行放大，从而削减系统预留的裕量，最终在测试结果上就是会削减眼图张开度即眼高。

总结

    本文主要就示波器的本底噪声对高速串行信号的眼图测试结果的影响做了一些初步的介绍和讨论，主要有以下几点：

? 示波器的本底噪声本身会对眼睛张开度即眼高有直接影响。

? 夹具和电缆去嵌处理过程中的逆向放大或补偿会放大示波器的本底噪声，从而影响眼高。

? 示波器上的测试软件在模拟高速串行链路中广泛采用的接收机均衡算法时，会在放大信号的同时也放大仪器的本底噪声，从而影响眼高。

? 采用探头时探头衰减后在示波器里的放大过程也会放大示波器的本底噪声从而影响眼高。

    当然在示波器使用过程中还有一些其它的小的设置可能也会影响到测量的精度，比如档位和垂直偏移等等,本文就不再讨论了。

    因此到这里，本文不仅仅是在讨论示波器的本底噪声如何影响眼睛张开度，也是在说明如果遇到眼睛张开度不够即眼高测试失败，如何尝试解决问题的一些思路或者角度。

    示波器乃至整个测量系统的本底噪声对眼图张开即眼高测试结果有很大的影响，当然对整个系统的其它评价指标如抖动乃至误码率BER(Bit Error Ratio)当然也会产生很大影响。由于篇幅有限，在这里本文不再讨论了。

    在今天的串行信号速率日益推高的趋势下低电压，高转换速率的特点必然带来系统预留的设计裕量日益紧缩。另一方面，源自于市场的降成本的压力也会持续的压缩设计裕量。因此采用低本底噪声示波器进行测试为系统设计保留更多的裕量已经成为广大业界从业人员的明智选择。进而示波器的本底噪声也正在成为高速示波器继带宽，采样，存储和触发后第五个重要指标，成为购买和选型时的最重要评价指标之一。

附：参考文献：

[1]: 评估示波器的信号保真度，Keysight公司，5991-4088CHCN

[2]: HDMI Type-A v2 TestAdapter User Manual, Wilder Technologies,910-0040-000 Rev.B

[3]: Universal Serial Bus3.1 Specification,Rev 1.0

[4]: PrecisionProbe for Bandwidths up to 33 GHz,KeysightTechnologies,5990-7940EN

[5]: Keysight N5465AInfiniiSim Waveform Transformation Toolset for Infiniium Oscilloscopes,Keysight Technologies, 5990-4059EN

 

 

示波器噪声眼图