測量串行數(shù)據(jù)信號:選擇合適的示波器帶寬

1.考慮測量帶寬的高速串行數(shù)據(jù)

在測量高速串行數(shù)據(jù)信號和設(shè)備時，無論是為了合規(guī)性、設(shè)計還是為了故障排除，測量帶寬都是一個重要的考慮因素。相對于信號的頻率成分，測量示波器可以有一個或大或小的帶寬。特定標(biāo)準(zhǔn)的正確帶寬是多少?與最近的標(biāo)準(zhǔn)相比，這種關(guān)系發(fā)生了什么變化?

在這里，我們將回顧規(guī)定測量帶寬的原理，以及該原理是如何隨著最新標(biāo)準(zhǔn)而演變的。

高速串行數(shù)據(jù)信號的基本光譜特性(圖1)顯示了信號奇諧波時的特征能量裂紋?；鶞?zhǔn)(1次諧波)在fBaud的1/2，其中fBaud是數(shù)值等于信號符號速率的頻率，例如，對于53GBd的信號，fBaud為53 GHz;奈奎斯特頻率fNyquist為53 GHz的1/2。

被測裝置或DUT(藍色)的信號明顯快速地滾落，除了第二諧波之外沒有可見的可用能量。這是在10s的GBd信號中所希望的特性:遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過fNyquist的高速能量對于信息的傳遞并不重要:無論如何，電通道將抑制它;此外，它可能引起額外的不良串?dāng)_。最后，恢復(fù)高度抑制的能量的嘗試會太吵，并且會產(chǎn)生比在必要的最小值之后不久滾動的接收機設(shè)計更高的錯誤率，即，奈奎斯特頻率。

相比之下，高速實驗室信號源(綠色)可能具有更高的能量瓣。然而這也是學(xué)術(shù)性的--這種電源設(shè)計過度，其產(chǎn)生的能量會超過典型的DUT發(fā)射機(Tx)，除非使用極高速的連接器和電纜，否則其能量甚至不會傳播到DUT。

圖一。幅度調(diào)制信號的基本光譜特性;還顯示了帶寬與fNyquisti.e匹配的貝塞爾-湯姆森4階過濾器(紅色)的響應(yīng)，0.5*f波特用于PAM 4參考過濾器。

如前所述，BERT信號(圖1中的綠色跡線例子)在其豐富的高頻率能量上是過去奈奎斯特頻率的許多倍。但既然能量在那里，我們需要測量它嗎?

隨著時間的推移，各種標(biāo)準(zhǔn)一直在努力解決這個問題，并建立了推薦正確帶寬的規(guī)則。作為示例，我們將使用IEEE 802.3有線/基于光纖的信令來討論這一點高速電氣IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)中所需測量帶寬的開發(fā)情況如圖2和圖3所示;請注意時間范圍(年)是近似值。

比較清楚地表明，測量帶寬隨著時間的推移而減少:為什么?

與過去的NRZ(PAM2NRZ)信號相比，如今的電信號(從Tx到Receiver或Rx)受介質(zhì)(信號傳播的有損信道)的帶寬限制更大。注意，在PAM4信號中，眼睛的大小只占整個振幅擺動的1/3。

同樣有趣的是，在光學(xué)信令中，相對于電介質(zhì)，測量帶寬在過去幾年中一直明顯地慢。讓我們看看為什么。

2.測量帶寬隨時間推移而減少的原因

在較舊的、較簡單的系統(tǒng)中，來自發(fā)射機的信號在信道中不會受到很大的損耗。接收器可以直接或僅通過光均衡來恢復(fù)合理睜開的眼睛。見圖4。

相比之下，復(fù)雜的系統(tǒng)運行在較高的信道損耗超過f/fBaud正在恢復(fù)一個超出Nyquist頻率的非常小的信號;需要付出很大的努力，如果沒有大量的RF增益，眼睛通常是不會睜開的。然而，一個大的射頻增益意味著麻煩的形式的噪聲放大-和噪聲導(dǎo)致傳輸錯誤。

由于較復(fù)雜的傳輸系統(tǒng)(圖5)必須執(zhí)行復(fù)雜均衡，即具有更大增益的均衡，該系統(tǒng)還必須濾除在高頻(即尼奎斯特以上頻率)中發(fā)現(xiàn)的大部分噪聲。當(dāng)傳輸信道是高損耗時，這種快速的帶寬限制提高了噪聲性能。

3.DUT接收機帶寬與測量帶寬的關(guān)系

測量帶寬的指導(dǎo)思想是測量只能觀察比DUT接收器稍大的光譜窗口。

在過去使用的較簡單的系統(tǒng)中，這經(jīng)常被五次諧波規(guī)則所暗示。在當(dāng)今更為復(fù)雜的系統(tǒng)中，凡(如上圖所示)該信道表現(xiàn)出很大的損耗(作為f/fBaud的一小部分)，DUTRx必須通過更劇烈的滾動來嚴(yán)重限制高頻噪聲。在測量系統(tǒng)中，這將通過降低測量帶寬(例如降至第3諧波范圍)來稍微近似。

3.1.四階貝塞爾-湯姆遜系統(tǒng)的作用

另一個考慮因素是，由于最新的系統(tǒng)(例如PAM4)使用高度噪聲限制的數(shù)據(jù)恢復(fù)，因此測量設(shè)備的滾動不將偽裝物呈現(xiàn)到信號的時域視圖中是至關(guān)重要的。因此，內(nèi)置于示波器的低通濾波器必須在時域上沒有振鈴或大的過沖。出于這個原因，四階貝塞爾-湯姆遜濾波器是強制性的標(biāo)準(zhǔn)。這是針對平滑相位響應(yīng)和平滑電壓轉(zhuǎn)換而優(yōu)化的濾波器設(shè)計。除了指定濾波器外，標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定必須遵循該濾波器超過-3dB點，即，如果指定40 GHz貝塞爾-湯姆遜4階濾波器，并不意味著40 GHz DUT示波器是可用的;事實上，即使50 GHz示波器也不會對標(biāo)準(zhǔn)提出抱怨，因為有益的貝塞爾-湯姆遜滾動將過早地被截斷。

參見圖1，紅色軌跡，用于匹配信號信令速率的貝塞爾-湯姆遜4階濾波器(在fNyquist時為-3dB，與典型的PAM4標(biāo)準(zhǔn)相似)。觀察信號折射與紅線貝塞爾-湯姆森4濾波器共同作用后剩余的能量有多少。

這對今天的標(biāo)準(zhǔn)意味著什么?

4.2021/2022年最快標(biāo)準(zhǔn)

電氣標(biāo)準(zhǔn)。預(yù)計IEEE802.3ck將于2021年完成最快的實用電氣標(biāo)準(zhǔn)之一，數(shù)據(jù)吞吐量為每通道100 GB/s，并推出400GBASE-CR4或400 GBASE-KR4或400GAUI-4等變體，最終批準(zhǔn)可能在2022年中期。這些標(biāo)準(zhǔn)的信令符號率為53.125GBd，因此信號的奈奎斯特頻率為25.5625 GHz。

預(yù)計該標(biāo)準(zhǔn)將強制要求示波器測量帶寬為40GHz帶寬(即-3dB)貝塞爾-湯姆遜濾波器的4階控制滾降結(jié)束在55GHz左右。這種采集速度將足以捕獲大部分信號及其潛在的保真問題，同時不會用超出DUT接收器所實現(xiàn)的帶寬的過剩帶寬損害被測信號的信噪比。

OIF-CEI標(biāo)準(zhǔn)使用相同的概念，但使用略有不同的過濾器。我們將在以后的文章中討論。

光學(xué)標(biāo)準(zhǔn)。使用PAM4信令(又稱光學(xué)直接檢測PAM4NRZ)測量光信號已經(jīng)建立幾年了，作為IEEE 802.3bs在400GBASE-DR4標(biāo)準(zhǔn)背后的努力的一部分。在光信令中，對接收機帶寬的考慮不同于例如IEEE802.3ck中存在的對電信令的考慮。在53GBd時，單模光纖中的光信號經(jīng)歷相對較小的帶寬折射(相對于電通道)，因此均衡過程更簡單，并且在短鏈路上反射的影響較小，因此光接收機不會受到這種反射的嚴(yán)重影響。由于這些鏈路特性，光學(xué)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測量帶寬僅為0.5*fBaud，即在接收器電側(cè)測量的Nyquist頻率。

這是一種貝塞爾-湯姆森濾波器，其帶寬為26.5625GHz，可接收53GBd信號;在典型的單模系統(tǒng)中，可控卷曲的末端剛過60 GHz。

為什么在光學(xué)標(biāo)準(zhǔn)中會有電帶寬和光帶寬的差異?光接收機中的光電轉(zhuǎn)換正交干光和電側(cè)之間的功率關(guān)系;因此，光帶寬不同于電帶寬，即更高。(帶寬是全冪的幾分之一;典型O/E的平方定律改變了這個比率。)光帶寬不用于指定貝塞爾-湯姆森濾波器和尼奎斯特頻率之間的關(guān)系。

在某些情況下，強調(diào)光學(xué)鏈路是為了在電子領(lǐng)域“不惜任何代價”提供能力(例如，非常昂貴的鏈路，如大陸之間的海底鏈路)。然后，整個設(shè)計(包括信號滾動)主要由對頻譜效率以及發(fā)射器能量和測量工具的更銳利滾動的關(guān)注所主導(dǎo)。

結(jié)論

在較高速度標(biāo)準(zhǔn)下，高速串行數(shù)據(jù)系統(tǒng)中用于測量的帶寬(作為符號速率的一小部分)比過去在較不均衡標(biāo)準(zhǔn)下要低。這一發(fā)展只是確認(rèn)了鏈接設(shè)計者今天必須做出的設(shè)計權(quán)衡。進行測量的帶寬約為0.5*fBaud，在大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)中以時域友好的方式推出四階貝塞爾-湯姆遜濾波器。未來可能會有一個稍微快一點的推出。

審核編輯 黃宇