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用示波器測(cè)量確定性抖動(dòng) 示波器技術(shù)指標(biāo)

時(shí)間:2020-07-30    來(lái)源:儀多多儀器網(wǎng)    作者:儀多多商城     
為抖動(dòng)測(cè)量而設(shè)計(jì)的專用測(cè)試設(shè)備各種各樣,但價(jià)格都非常高,而且對(duì)某些應(yīng)用來(lái)說(shuō)太過(guò)專業(yè)而不適用。其實(shí)利用普通數(shù)字采樣示波器,設(shè)計(jì)人員也能準(zhǔn)確快速地進(jìn)行確定性抖動(dòng)測(cè)量,成本比所預(yù)計(jì)的要低很多。本文介紹針對(duì)較短的測(cè)試序列如何用示波器進(jìn)行抖動(dòng)測(cè)量。

準(zhǔn)確的抖動(dòng)測(cè)量對(duì)以太網(wǎng)和光通路元件來(lái)說(shuō)是一個(gè)挑戰(zhàn)。抖動(dòng)可以分成兩類,即隨機(jī)性(無(wú)界限)抖動(dòng)和確定性(有界限)抖動(dòng)。確定性抖動(dòng)(DJ)包括在受控條件下能夠重現(xiàn)的所有抖動(dòng),可以再細(xì)分為周期抖動(dòng)(PJ)、測(cè)試序列模板造成的抖動(dòng)(PDJ)、脈寬失真(DCD)和有限無(wú)關(guān)聯(lián)抖動(dòng)。

產(chǎn)生確定性抖動(dòng)的主要原因有:

1.基準(zhǔn)電平模糊。由系統(tǒng)低頻截止點(diǎn)引起,它會(huì)在長(zhǎng)串連續(xù)同樣數(shù)字(CID)附近產(chǎn)生抖動(dòng)。
2.系統(tǒng)帶寬不足。這會(huì)阻止某些脈沖達(dá)到穩(wěn)態(tài)水平,在分隔的脈沖(如..010..或..101..數(shù)據(jù)序列)上引起抖動(dòng)。
3.放大器偏置??稍诿看螖?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)引起脈寬變形。
4.非線性放大器效應(yīng)。它會(huì)產(chǎn)生不可預(yù)測(cè)的抖動(dòng)影響,經(jīng)常在長(zhǎng)串CID之后引起抖動(dòng)。
5.電源噪聲和串?dāng)_。會(huì)產(chǎn)生與數(shù)據(jù)輸入無(wú)關(guān)的抖動(dòng)(有時(shí)稱作有限無(wú)關(guān)聯(lián)抖動(dòng))。

光纖通訊系統(tǒng)中,抖動(dòng)會(huì)在每個(gè)元件上累積。在接收端,時(shí)鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)電路(CDR)分析數(shù)據(jù)并分解出串行速率時(shí)鐘,CDR上的抖動(dòng)表現(xiàn)為時(shí)鐘速率小頻率變化。緩慢的變化(小頻率抖動(dòng))很容易跟蹤,而快速變化(高頻抖動(dòng))則不那么容易。如果接收端有太多高頻抖動(dòng),時(shí)鐘就不能分解出來(lái),于是在數(shù)據(jù)通信中出現(xiàn)大量錯(cuò)誤。

抖動(dòng)余量考慮

為防止上面所說(shuō)的這種情況出現(xiàn),系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮采用抖動(dòng)余量。注意確定性抖動(dòng)是線性增加的(在最壞情況下所有抖動(dòng)源都加在一起),而隨機(jī)性抖動(dòng)則以幾何倍數(shù)增加(平方和再開方),這里假設(shè)引起隨機(jī)性抖動(dòng)的噪聲源是獨(dú)立無(wú)關(guān)的。將抖動(dòng)元件分開會(huì)使每個(gè)元件產(chǎn)生的抖動(dòng)更加隨機(jī),這有幾個(gè)好處,包括鏈接距離更長(zhǎng)及元件成本更低。

應(yīng)注意的是,確定性抖動(dòng)測(cè)量誤差總是使元件確定性抖動(dòng)顯得更大,而且是直接從余量中減去,隨機(jī)性抖動(dòng)測(cè)量誤差沒有這么嚴(yán)重,所以更需要準(zhǔn)確測(cè)量確定性抖動(dòng)。

測(cè)量確定性抖動(dòng)需要知道一個(gè)數(shù)據(jù)模板序列。K28.5是測(cè)量光纖通道和工作在1Gb/s到3.125Gb/s以太網(wǎng)系統(tǒng)抖動(dòng)通常指定的序列模板,該序列是8B/10B譯碼表中的一個(gè)特殊字符,經(jīng)常表示一幀的開始或結(jié)束。重復(fù)的K28.5序列(輪流由K28.5+和K28.5-構(gòu)成)含有數(shù)據(jù)串0011111010110000010,它有五個(gè)連續(xù)的1和五個(gè)連續(xù)的0(8B/10B譯碼數(shù)據(jù)中最長(zhǎng)連續(xù)同樣數(shù)字),它還含有分開的1-010和0-101。

重復(fù)的K28.5序列可用于測(cè)量因基準(zhǔn)電平模糊、低帶寬和偏置引起的確定性抖動(dòng),其它序列更適合于測(cè)量非線性影響引起的抖動(dòng)。

抖動(dòng)測(cè)量

用示波器測(cè)量確定性抖動(dòng)通常有三種方法,分別是眼圖法、平均眼圖法和平均交叉測(cè)量法(表1)。

使用眼圖法時(shí),示波器將同時(shí)顯示多個(gè)交叉的波形,可以迅速看到整體抖動(dòng)情況(確定性抖動(dòng)和隨機(jī)性抖動(dòng)結(jié)合在一起)。眼圖法的主要優(yōu)點(diǎn)是速度快和設(shè)置方便,圖1顯示了測(cè)試設(shè)備和被測(cè)器件(DUT)的典型設(shè)置。但眼圖既不能把隨機(jī)性抖動(dòng)和確定性抖動(dòng)分離開,也不能將測(cè)試系統(tǒng)引起的抖動(dòng)去掉。

用眼圖法時(shí)應(yīng)清楚觸發(fā)方式會(huì)掩蓋大部分確定性抖動(dòng),例如假設(shè)序列發(fā)生器每10個(gè)時(shí)鐘周期提供一次觸發(fā),如果序列長(zhǎng)度是偶數(shù),那么示波器就不會(huì)在奇數(shù)位上觸發(fā),這會(huì)將一些轉(zhuǎn)換掩蓋掉,利用奇數(shù)長(zhǎng)度序列或在序列發(fā)生器時(shí)鐘輸出上的觸發(fā)可以避免這個(gè)問(wèn)題。

如果被測(cè)器件含有時(shí)間再生電路(時(shí)鐘恢復(fù)或再定時(shí)器),應(yīng)采用好的鎖相環(huán)來(lái)恢復(fù)示波器觸發(fā)時(shí)鐘,該鎖相環(huán)是針對(duì)特定協(xié)議的。另外如果被測(cè)器件內(nèi)有光學(xué)元件,還需要增加適當(dāng)?shù)墓庾儞Q器(光-電或電-光轉(zhuǎn)換器)。必要時(shí)可假設(shè)光轉(zhuǎn)換器或鎖相環(huán)已包含在測(cè)試設(shè)備里。

有些示波器提供的平均模式能去除眼圖中的隨機(jī)性抖動(dòng),這種模式與基本眼圖相比精確性和可重復(fù)性都更高,但與觸發(fā)有關(guān)的問(wèn)題同樣存在。

平均交叉測(cè)量法在K28.5序列上能準(zhǔn)確測(cè)量確定性抖動(dòng)的大部分來(lái)源,其步驟如下:

1.如圖1所示連接好被測(cè)器件,將示波器觸發(fā)設(shè)為序列模板。
2.在示波器屏幕上顯示整個(gè)K28.5序列。
3.計(jì)算屏幕上每次轉(zhuǎn)換的預(yù)期交叉時(shí)間(可以是單位時(shí)間間隔,但應(yīng)跳過(guò)沒有轉(zhuǎn)換的單位時(shí)間間隔)。
4.反復(fù)進(jìn)行平均運(yùn)算。
5.把交叉制成表格并計(jì)算抖動(dòng),重復(fù)K28.5序列(001111101011000001010)有10個(gè)交叉。
6.保證信號(hào)填滿垂直平面的至少2/3,這樣可使示波器的數(shù)字化性能較佳。
7.示波器主要位置設(shè)定盡可能小(使延遲離開觸發(fā),顯示盡可能短以減少觸發(fā)抖動(dòng))。
8.使用最大水平分辨率(多個(gè)水平點(diǎn))。
9.反復(fù)進(jìn)行平均(平均64到1,000次)以減少隨機(jī)性抖動(dòng)。

注意周期性抖動(dòng)和有限無(wú)關(guān)聯(lián)抖動(dòng)不能用已平均的示波器波形來(lái)捕捉,應(yīng)采用其它方法測(cè)量,如果能安全假設(shè)被測(cè)器件不會(huì)產(chǎn)生大量這類抖動(dòng),那就可用平均交叉測(cè)量。

對(duì)于使用擾頻器的系統(tǒng),該技術(shù)則太過(guò)困難用不能使用,因?yàn)檫@類系統(tǒng)的測(cè)試序列一般都很長(zhǎng)。例如通常用于測(cè)試擾頻數(shù)據(jù)系統(tǒng)的223-1偽隨機(jī)二進(jìn)制序列長(zhǎng)度超過(guò)800萬(wàn)比特,對(duì)如此長(zhǎng)的圖形進(jìn)行平均交叉測(cè)量很慢,而且也不準(zhǔn)確。

增強(qiáng)準(zhǔn)確性

當(dāng)今很多元件的確定性抖動(dòng)與模板發(fā)生器和示波器的差不多或更小,因此要準(zhǔn)確確定這些元件的抖動(dòng)就要先找出測(cè)試系統(tǒng)引入的抖動(dòng),然后對(duì)測(cè)量進(jìn)行調(diào)整。把被測(cè)器件從測(cè)試裝置上拿掉并判定數(shù)據(jù)圖形每次轉(zhuǎn)換的抖動(dòng)可測(cè)出系統(tǒng)誤差,然后把被測(cè)器件放回到測(cè)試系統(tǒng),再次測(cè)量抖動(dòng)值,可通過(guò)算術(shù)方法判定出被測(cè)器件產(chǎn)生的抖動(dòng)。

這里介紹的平均交叉測(cè)量方法非常適合于使用8B/10B編碼系統(tǒng)的以太網(wǎng)和光纖通道元件的確定性抖動(dòng)測(cè)量,僅采用常用測(cè)試設(shè)備就可進(jìn)行準(zhǔn)確可重復(fù)的抖動(dòng)測(cè)量。
示波器抖動(dòng)的完美測(cè)量

  對(duì)抖動(dòng)完美測(cè)量的一半工作量都在于如何設(shè)置示波器。我們的目標(biāo)是捕獲并顯示出信號(hào)在系統(tǒng)環(huán)境下的真實(shí)情況。因?yàn)槊總€(gè)實(shí)驗(yàn)室都有實(shí)時(shí)示波器,有必要知道如何去操作它們。抖動(dòng)測(cè)量對(duì)環(huán)境特別敏感,所以要想辦法針對(duì)各種抖動(dòng)優(yōu)化測(cè)試環(huán)境?! ∈紫纫x取具備合適帶寬的設(shè)備。如果帶寬太窄,測(cè)試得邊沿速率就會(huì)很低。低的沿速率會(huì)將幅度噪聲更多的轉(zhuǎn)化為時(shí)域錯(cuò)誤。但是,如果帶塊太大,也只會(huì)增加測(cè)試中的熱噪聲和散粒噪聲從而提高噪底。在NRZ碼流來(lái)講,一個(gè)經(jīng)驗(yàn)規(guī)則就是選取帶寬為碼率的1.8倍。  是信號(hào)最高基頻的兩倍;實(shí)際上,捕獲過(guò)程中的模擬信號(hào)整形和數(shù)據(jù)變換會(huì)留有余量,因此示波器真正需要的采樣速率是最高基頻的2.5到3倍。所以,示波器的帶寬采樣速率比大概為1到3.  對(duì)于減小ADC量化誤差來(lái)講增大儀器的縱向解析度很重要。調(diào)節(jié)電壓/刻度旋鈕直到圖形正好進(jìn)入屏幕的垂直范圍。過(guò)度就會(huì)使ADC變化飽和,不滿就會(huì)減低SNR.  測(cè)量TIE抖動(dòng)時(shí)時(shí)基設(shè)置也很重要,因?yàn)檫@項(xiàng)設(shè)置相當(dāng)于可調(diào)的高通濾波器。時(shí)基會(huì)設(shè)置捕獲時(shí)的最小TIE頻率(示波器帶寬決定最高抖動(dòng)頻率)。  同樣,確定測(cè)試數(shù)據(jù)碼型中包含有正確的頻譜成分范圍,并且只含有實(shí)數(shù)頻譜成分。當(dāng)采用PRBS碼型時(shí),碼型長(zhǎng)度要足夠長(zhǎng)保證捕獲到低頻分量,同時(shí)又不能超過(guò)儀器的存儲(chǔ)范圍?! ∈冀K減少觸發(fā)與第一個(gè)采樣點(diǎn)間的延時(shí)。信號(hào)被觸發(fā)后,定時(shí)的不確定與時(shí)基等待采樣數(shù)據(jù)的長(zhǎng)短成正比。減少延時(shí)降低了這種不確定性,因此減低了被測(cè)抖動(dòng)值?! ”苊馐静ㄆ骶ㄐ?,選擇sin(x)/x在數(shù)據(jù)點(diǎn)間插值,并使用大幅度的快速觸發(fā)。最后,在知道實(shí)際系統(tǒng)接收器門限電平的情況下將觸發(fā)電平設(shè)置與其一致,否則,設(shè)置為波形值的一半。

標(biāo)簽: 示波器
示波器 示波器抖動(dòng)的完美測(cè)量_示波器



    要了解示波器選擇的采樣率是否足夠,首先要先了解采樣過(guò)程。采樣是將連續(xù)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散數(shù)字信號(hào)的過(guò)程,采樣率就是離散數(shù)字信號(hào)的采樣時(shí)間間隔。采樣最基本的遵循是奈奎斯特定理。示波器的采樣率反映的是示波器能夠捕獲被測(cè)信號(hào)細(xì)節(jié)的分辨程度。采樣率越高,單位時(shí)間內(nèi)對(duì)被測(cè)波形捕獲的點(diǎn)數(shù)就越多,最后顯示的波形就越接近真實(shí)被測(cè)信號(hào)。
    根據(jù)以上理論,就能清楚的知道,選擇示波器的采樣率,要明確知道我們所要關(guān)注的被測(cè)信號(hào)的細(xì)節(jié)達(dá)到什么程度,并且結(jié)合帶寬(信號(hào)上升時(shí)間)來(lái)判斷選取示波器的采樣率。一般情況下,采樣率是帶寬的4~5倍就能比較準(zhǔn)確的顯示波形。某位安捷倫員工提供的資料是:對(duì)高斯頻響示波器,其采樣率應(yīng)該是帶寬的4倍或以上,對(duì)最大平坦度頻響示波器,其采樣率應(yīng)該是帶寬的2.5倍或以上。
    另外,并不一定是采樣率越高,測(cè)量精度越高。這是因?yàn)椴蓸勇瘦^高的情況下,要做到采樣等間距不是件容易的事情,在有些情況下,情況正好相反。







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