摘要

當測量承載高速數(shù)據(jù)的信號時，去嵌入是消除電纜、探頭、夾具及連接器影響的關鍵手段。然而，去嵌入也可能過度增強儀器噪聲。本文闡述了通過高速信號去嵌入信道效應的挑戰(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示波器的本地噪聲進行整形，以降低儀器噪聲對去嵌入信號的影響。文中通過多項實驗說明QuietChannel新技術效果，及其優(yōu)勢如何隨信道長度增加而增加。文中還包含關于配置均衡的簡短內(nèi)容。

當前技術差距

當達到10Gb/s數(shù)據(jù)速率以后，高速串行信號的測量（尤其作為標準測試的一部分）需采用去嵌入技術處理電纜、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，則原始信號可通過去嵌入完美表示。現(xiàn)代示波器的本底噪聲已取得極大改善，但當去嵌濾波器對其放大時，儀器噪聲仍會導致顯著誤差。

圖1. 在通道損耗前后，20Gb/SPRBS信號的頻率成分。

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

圖2所示為示波器的基本模型。噪聲在多個位置進行建模。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。用于高速串行測量時，大多數(shù)垂直刻度設置下，前置放大器的增益較低，ADC噪聲占主導地位?，F(xiàn)代示波器中的Scope DSP模塊應用了濾波和均衡來處理儀器內(nèi)部的信號路徑。軟件去嵌模塊是一種用于補償示波器外部有損信號路徑的工具 – 包括電纜、連接器和線路。該模塊通常使用S參數(shù)來描述通向示波器輸入端的外部信道中的損耗。對于7系列DPO，信號完整性建模 (SIM) 軟件執(zhí)行去嵌入以補償外部信號路徑元素。

圖2. 含軟件去嵌入的傳統(tǒng)示波器信號路徑。除增強高頻信號功率外，去嵌入還會增強示波器噪聲。

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，去嵌入通常會提升更高頻率的幅度。這種提升不僅應用于信號，還應用于儀器噪聲，導致如圖2所示的本底噪聲。請注意，信號不會因去嵌入失真，因信道損耗應用后再被移除，從而達到了平衡。示波器本底噪聲本身不受信道損耗的影響。然而，去嵌入會使示波器噪聲增強，因此隨著頻率的增加，示波器本底噪聲也會增加。

圖3. 使用去嵌入和QuietChannel技術的示波器噪聲。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所示為實施QuietChannel技術的示波器模型。在這種情況下，前置放大器設計了可選擇的頻率響應，可以增強信號的高頻內(nèi)容。傳遞函數(shù)是一種連續(xù)時間線性均衡 (CTLE)，通常用于校正傳輸線中的損耗。

ADC采樣后，伴有噪聲，通過對DSP前置放大器增益反向操作，達到頻率響應平坦化。右下方圖表顯示了測試結(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技術實驗

為展示這項技術效果，研究人員進行了三項實驗，并在文中加以描述。實驗設置包括一個能夠產(chǎn)生28Gb/秒數(shù)據(jù)的誤碼率測試儀（BERT）。BERT產(chǎn)生的偽隨機二進制序列（PRBS）通過由Megtron 6材料制成的PCB傳輸，配有高質(zhì)量連接器和長度不一的帶狀線，用于創(chuàng)建符號間干擾（ISI板）。使用Tektronix 7系列示波器的兩個信道測量差分信號，該示波器首次采用QuietChannel技術。

所有實驗中，使用Tektronix信號完整性建模（SIM） 軟件，從測量信號中去嵌入PCB損耗。部分標準會采用連續(xù)時間線性均衡 （CTLE）技術，該技術可與去嵌入配合使用，或替代去嵌入。本實驗沒有使用CTLE，但 QuietChannel技術產(chǎn)生的效果相似。

圖4. 實驗測試設置。使用BERT（左）通過不同長度的信道驅(qū)動 PRBS測試信號。7系列DPO采用QuietChannel技術，用于測量產(chǎn)生的信號。

第一項實驗使用20Gb/s數(shù)據(jù)，通過17英寸帶狀線運行。該信道的插入損耗如圖5所示。

圖2a

圖2b

圖5. ISI板上17英寸傳輸線對的插入損耗。

對于本實驗20Gb/s數(shù)據(jù)速率，相當于10GHz基頻時需要去嵌入約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技術的測量結(jié)果。底部波形（紫色）是未去嵌入的差分對。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，在本次實驗中完全閉合。右上方波形為去嵌入波形眼圖，測量1和3顯示了抖動細節(jié)。

圖6. 未采用QuietChannel技術時，通過17英寸走線實現(xiàn)20Gb/s傳輸速率。

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

圖7顯示了使用QuietChannel技術的同測量結(jié)果。在這種相對較短的走線上，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，但可能會對是否通過合規(guī)測試有顯著影響，或?qū)е铝悸蚀蠓陆?。下一組實驗將展示這種影響如何隨信道損耗而增加。

第二項實驗保持其他條件不變，但ISI板上切換為24英寸長走線。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。此時損耗增加幅度較小，但QuietChannel技術的效果更加顯著。數(shù)據(jù)速率越高，這種損耗越真實，而且大大低于許多信道損耗。相較于現(xiàn)在的20dB損耗，現(xiàn)代標準在同一基頻處能達到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，右側(cè)為使用了QuietChannel技術。這里我們可以看到眼圖有一處明顯差異，測量顯示，眼寬增加了31%，眼高增加了34%。注意，此處隨機抖動 (RJ) 大幅減少了約40%。RJ減少由更低的噪聲造成，因為在采樣快速的邊沿時，噪聲會轉(zhuǎn)化為隨機抖動。

圖9. 對同一條24英寸走線，進行20Gb/s速率下的信號去嵌入左側(cè)眼圖未使用QuietChannel技術測量，顯示隨機抖動 (RJ) 為1.4ps。右側(cè)眼圖采用了QuietChannel技術測量，顯示隨機抖動 (RJ) 為860fs。

為了解QuietChannel技術如何產(chǎn)生這一效果，我們可以分別查看使用和未使用QuietChannel技術時的信號和本底噪聲FFT。第三項實驗使用16Gb/s信號，采用31英寸長走線，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。此處信號和噪聲以同等程度增強。

圖10. 未使用QuietChannel技術，通過31英寸走線傳輸16Gb/s信號的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技術實現(xiàn)噪聲整形所致。

圖11. 使用QuietChannel技術后，通過31英寸走線傳輸16Gb/s信號的FFT。眼高增加了一倍多。

圖12為FFT的放大視圖，上方為關閉QuietChannel技術，下方為啟用QuietChannel技術。信噪比提高了約5dB，因為示波器本底噪聲在較高頻率下被整形。

圖12. 未使用QuietChannel技術（上）和使用QuietChannel技術（下）的FFT對比。

QuietChannel技術的噪聲整形可用于諸多應用場景。對于需要去嵌入的高速串行應用，這是一項革命性技術，能為發(fā)射端波形提供更準確的視圖。

QuietChannel技術設置

7系列DPO示波器是首批采用QuietChannel技術的儀器。本次產(chǎn)品中，針對不同程度、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技術設置。圖13展示了7系列DPO用于配置信道的面板。

圖13. 靜音通道技術設置。

確定具體被測設備（DUT）使用哪種設置可能具有一定難度。最佳設置可能會隨比特率、驅(qū)動強度和預加重設置而變化?！爱斍靶盘杻?yōu)化”按鈕可根據(jù)當前測量的信號，優(yōu)化示波器信道信噪比。示波器軟件會評估每種QuietChannel技術設置（包括關閉狀態(tài)）下的信噪比。這能為當前發(fā)射器和信道條件找到最佳設置。測試多個設備時，也可手動調(diào)整，保持設置一致。

當測量承載高速數(shù)據(jù)的信號時，去嵌入是消除電纜、探頭、夾具及連接器影響的關鍵手段。多數(shù)情況下，去嵌入對于合規(guī)性測試不可或缺。然而，去嵌入也會增強儀器噪聲，導致儀器噪聲對測試結(jié)果產(chǎn)生負面影響。本文闡述了運用于7系列DPO示波器中的這項專利技術如何通過硬軟件獨特組合以“整形示波器本底噪聲”，并減少儀器噪聲對去嵌入信號的影響。已開展多項實驗以驗證QuietChannel的技術價值，尤其是在對有損信道進行去嵌入時，該技術的價值更為顯著。