如何選擇合適的示波器帶寬測量串行數據信號

1.高速串行數據考慮測量帶寬

在測量高速串行數據信號和設備時，無論是出于合規性、設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容的大或小的帶寬。什么是特定標準的正確帶寬？這種關系與最近的標準有何變化？

在這里，我們將回顧規定測量帶寬的基本原理，以及該基本原理如何隨著最新標準而發展。

高速串行數據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，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，它可能會導致額外的不期望的串擾。最后，在高度抑制的能量的恢復的嘗試將過于嘈雜，并且將產生比在必要的最小值之后很快滾轉的接收器設計更高的錯誤率，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，這也是學術-這個源是過度設計的，它會產生太多的過去典型的DUT發射器 (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.調幅信號的基本頻譜特性; 還顯示了bessel-thomson 4的響應th帶寬與f匹配的階數濾波器 (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，各種標準都在努力解決這個問題，并建立了推薦正確帶寬的規則。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標準中所需測量帶寬的發展如圖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準測量帶寬 (近似時間表)

圖3.隨時間變化的光學標準測量帶寬 (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信號傳導中，眼圖的大小現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已經慢了很多年。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、較簡單的系統中，來自發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，復雜系統在f/f上的信道損耗更高波特 正在恢復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，并且噪聲會導致傳輸錯誤。

圖5.復雜的電氣鏈路; 注意遠端眼仍完全關閉 (3rd從右側)

由于更復雜的傳輸系統 (圖5) 必須執行復雜的均衡，即具有更多增益的均衡，因此該系統還必須濾除在高頻處發現的大部分噪聲，即，高于奈奎斯特的頻率。當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系

測量帶寬的指導思想是，測量應僅觀察比DUT接收器稍大的光譜窗口。

在過去使用的更簡單的系統中，這通常是由5次諧波規則暗示的。在當今更復雜的系統中，其中 (如上所示) 信道表現出較大的損耗 (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系統的作用

另一個考慮是，由于最新的 (例如PAM4) 系統在高度噪聲限制的數據恢復下運行，測量設備的滾降不會在信號的時域視圖中呈現偽影是必要的。因此，內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濾波器被標準強制要求。這是針對平滑相位響應和平滑電壓過渡而優化的濾波器設計。 除了指定濾波器外，該標準還要求該濾波器必須經過-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標準。觀察在信號滾降與紅線bessel-thomson 4濾波器相結合的效果之后剩余的能量是多少。

這對今天的標準意味著什么？

4.2021年/2022年最快的標準

電氣標準。期望是IEEE 802。3ck正在完成最快的實用電氣標準之一，每通道的數據吞吐量為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。

預計該標準將強制要求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接收器中實現的帶寬的過量帶寬的測量信號的SNR。

OIF-CEI標準使用相同的概念，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。

光學標準。作為400GBASE-DR4標準背后的ieee802.3bs努力的一部分，使用PAM4信令 (又名光學直接檢測pam4nrz) 的光信號測量已經建立了幾年。在光學信令中，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，光學標準規定的測量帶寬僅為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; 在典型的單模系統中，受控滾降的終點剛剛超過60 GHz。

為什么在光學標準中，在帶寬電氣和帶寬光學方面存在差異？光接收器中的光電轉換使光和電側之間的功率關系平方; 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。)光學帶寬不用于指定bessel-thomson濾波器與奈奎斯特頻率之間的關系。

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

結論

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