如何選擇合適的示波器帶寬測量串行數(shù)據(jù)信號

1.高速串行數(shù)據(jù)考慮測量帶寬

在測量高速串行數(shù)據(jù)信號和設(shè)備時，無論是出于合規(guī)性、設(shè)計還是故障排除目的，測量帶寬都是一個重要的問題。測量示波器可以具有相對于信號的頻率內(nèi)容的大或小的帶寬。什么是特定標(biāo)準的正確帶寬？這種關(guān)系與最近的標(biāo)準有何變化？

在這里，我們將回顧規(guī)定測量帶寬的基本原理，以及該基本原理如何隨著最新標(biāo)準而發(fā)展。

高速串行數(shù)據(jù)信號的基本頻譜特性 (圖1) 顯示了信號奇次諧波能量的特征波瓣。基波 (1次諧波) 在f的1/2處波特,其中f波特 是數(shù)值等于信號符號率的頻率，例如，對于53 gbd的信號，f波特 是53 ghz; 奈奎斯特頻率，f奈奎斯特,是53 GHz的1/2。

被測器件或DUT (藍色) 的信號明顯快速滾轉(zhuǎn)，并且沒有可見的二次諧波以外的可用能量。這是在GBd的10s處發(fā)出信號的理想特征: 高速能量遠遠超過f奈奎斯特 對信息的傳輸不重要: 電通道無論如何都會抑制它; 此外，它可能會導(dǎo)致額外的不期望的串?dāng)_。最后，在高度抑制的能量的恢復(fù)的嘗試將過于嘈雜，并且將產(chǎn)生比在必要的最小值之后很快滾轉(zhuǎn)的接收器設(shè)計更高的錯誤率，即，奈奎斯特頻率。

相反，高速實驗室信號源 (綠色) 可能具有更高的能量波瓣。然而，這也是學(xué)術(shù)-這個源是過度設(shè)計的，它會產(chǎn)生太多的過去典型的DUT發(fā)射器 (Tx)，它的能量甚至不會傳播到DUT中，除非使用極高速的連接器和電纜。

圖1.調(diào)幅信號的基本頻譜特性; 還顯示了bessel-thomson 4的響應(yīng)th帶寬與f匹配的階數(shù)濾波器 (紅色)奈奎斯特  即，0.5 * f波特用于PAM4參考過濾器。

如上所述，BERT信號 (圖1中的綠色跡線示例) 在其超過奈奎斯特頻率許多倍的高頻能量的豐富性方面是極端的。但是既然能量存在，我們需要測量它嗎？

隨著時間的推移，各種標(biāo)準都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，我們將使用基于ieee802.3有線/光纖的信令來對此進行討論。

高速電氣IEEE 802.3標(biāo)準中所需測量帶寬的發(fā)展如圖2和圖3所示; 請注意時間范圍 (以年為單位) 是近似的。

圖2.隨時間變化的電氣標(biāo)準測量帶寬 (近似時間表)

圖3.隨時間變化的光學(xué)標(biāo)準測量帶寬 (近似時間表)

比較清楚地表明，測量帶寬隨著時間的推移而減小: 為什么？

電信號 (從Tx到接收器或Rx) 與過去的NRZ (PAM2 NRZ) 信號相比，今天的帶寬受到媒體的限制，即信號傳播的有損信道。請注意，在PAM4信號傳導(dǎo)中，眼圖的大小現(xiàn)在僅為整個振幅擺動的約1/3。

同樣有趣的是，在光信號中，測量帶寬相對于電介質(zhì)已經(jīng)慢了很多年。讓我們看看為什么。

2.為什么測量帶寬會隨著時間的推移而減少

在較舊的、較簡單的系統(tǒng)中，來自發(fā)射機的信號不會在信道中遭受大的損耗。接收器可以直接或僅通過光均衡來恢復(fù)合理打開的眼睛。參見圖4。

圖4.簡單的電氣鏈路; 請注意，遠端眼仍然大部分打開

相比之下，復(fù)雜系統(tǒng)在f/f上的信道損耗更高波特 正在恢復(fù)超過奈奎斯特頻率的非常小的信號; 必須付出很大的努力，并且在沒有大量RF增益的情況下，眼睛通常不會睜開。但是，較大的RF增益會以噪聲放大的形式帶來麻煩，并且噪聲會導(dǎo)致傳輸錯誤。

圖5.復(fù)雜的電氣鏈路; 注意遠端眼仍完全關(guān)閉 (3rd從右側(cè))

由于更復(fù)雜的傳輸系統(tǒng) (圖5) 必須執(zhí)行復(fù)雜的均衡，即具有更多增益的均衡，因此該系統(tǒng)還必須濾除在高頻處發(fā)現(xiàn)的大部分噪聲，即，高于奈奎斯特的頻率。當(dāng)傳輸信道是高度損耗的時，這種快速帶寬限制改善了噪聲性能。

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，測量應(yīng)僅觀察比DUT接收器稍大的光譜窗口。

在過去使用的更簡單的系統(tǒng)中，這通常是由5次諧波規(guī)則暗示的。在當(dāng)今更復(fù)雜的系統(tǒng)中，其中 (如上所示) 信道表現(xiàn)出較大的損耗 (作為f/f的一部分波特)，DUT Rx必須通過更急劇地滾降來嚴格限制高頻噪聲。這將在測量系統(tǒng)中通過將測量帶寬降低到例如3次諧波范圍來近似。

3.1.四階bessel-thomson系統(tǒng)的作用

另一個考慮是，由于最新的 (例如PAM4) 系統(tǒng)在高度噪聲限制的數(shù)據(jù)恢復(fù)下運行，測量設(shè)備的滾降不會在信號的時域視圖中呈現(xiàn)偽影是必要的。因此，內(nèi)置在示波器中的低通濾波器必須在時域中沒有振鈴或大的過沖。由于這個原因，4階bessel-thomson濾波器被標(biāo)準強制要求。這是針對平滑相位響應(yīng)和平滑電壓過渡而優(yōu)化的濾波器設(shè)計。 除了指定濾波器外，該標(biāo)準還要求該濾波器必須經(jīng)過-3 dB點，即如果指定了40 GHz bessel-thomson 4階濾波器，這并不意味著可以使用40 GHz DUT示波器; 實際上，即使是50 GHz示波器也不會對該標(biāo)準提出投訴，因為有益的bessel-thomson滾降將被過早截斷。

請參見圖1，紅色跡線，用于匹配信號信令速率的bessel-thomson 4階濾波器 (f時為-3dB奈奎斯特,如典型的PAM4標(biāo)準。觀察在信號滾降與紅線bessel-thomson 4濾波器相結(jié)合的效果之后剩余的能量是多少。

這對今天的標(biāo)準意味著什么？

4.2021年/2022年最快的標(biāo)準

電氣標(biāo)準。期望是IEEE 802。3ck正在完成最快的實用電氣標(biāo)準之一，每通道的數(shù)據(jù)吞吐量為100 gb/s，2021年將采用400GBASE-CR4或400GBASE-KR4或400GAUI-4等變體，最終批準可能在2022年中期。這些標(biāo)準的信令符號率是53.125 GBd，因此信號的奈奎斯特頻率是25.5625 GHz。

預(yù)計該標(biāo)準將強制要求40 GHz帶寬的示波器測量帶寬 (即，-3 dB) 4階bessel-thomson濾波器，受控滾降結(jié)束于55 GHz左右。這樣的采集將足夠快以捕獲大部分信號及其潛在的保真度問題，同時不損害具有超出在DUT接收器中實現(xiàn)的帶寬的過量帶寬的測量信號的SNR。

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

光學(xué)標(biāo)準。作為400GBASE-DR4標(biāo)準背后的ieee802.3bs努力的一部分，使用PAM4信令 (又名光學(xué)直接檢測pam4nrz) 的光信號測量已經(jīng)建立了幾年。在光學(xué)信令中，對接收器帶寬的考慮不同于存在于例如ieee802.3ck中的電信號的考慮。在53 gbd處，單模光纖中的光信號經(jīng)歷相對小的帶寬滾降 (相對于電信道)，并且由于這個原因，均衡過程更簡單，并且反射對短鏈路的影響較小，因此光接收器不會受到這種反射的嚴重影響。由于這些鏈路特性，光學(xué)標(biāo)準規(guī)定的測量帶寬僅為0.5 * f波特,即在奈奎斯特頻率下，如在接收器的電氣側(cè)測量的。

事實證明，這是一個bessel-thomson濾波器，其帶寬為26.5625 GHz，用于53 gbd信號; 在典型的單模系統(tǒng)中，受控滾降的終點剛剛超過60 GHz。

為什么在光學(xué)標(biāo)準中，在帶寬電氣和帶寬光學(xué)方面存在差異？光接收器中的光電轉(zhuǎn)換使光和電側(cè)之間的功率關(guān)系平方; 因此，光帶寬不同于 (高于) 電帶寬。(帶寬是全功率的一小部分; 典型O/E的平方律會改變該比率。)光學(xué)帶寬不用于指定bessel-thomson濾波器與奈奎斯特頻率之間的關(guān)系。

在一些情況下，光鏈路在電子設(shè)備中 “不惜任何代價” 地強調(diào)容量 (例如，非常昂貴的鏈路，諸如大陸之間的海底鏈路)。整個設(shè)計-包括信號滾降-然后由對頻譜效率的關(guān)注以及發(fā)射機能量和測量工具應(yīng)用的更急劇的滾降主導(dǎo)。

結(jié)論

用于高速串行數(shù)據(jù)系統(tǒng)中的測量的帶寬 (作為符號率的一部分) 對于較高的速度標(biāo)準比過去的較少均衡的標(biāo)準要低。這一發(fā)展簡單地證實了鏈接設(shè)計者今天必須做出的設(shè)計權(quán)衡。測量是在大約0.5 * f的帶寬下進行的波特,以大多數(shù)標(biāo)準中的4階bessel-thomson濾波器的時域友好方式滾動。未來可能會出現(xiàn)更快的滾降。