VitalyMorarenko

Анализ высокоскоростных цифровых оптических сигналов с помощью стробоскопического осциллографа Keysight Infiniium DCA-X 86100D

Blog Post created by VitalyMorarenko Employee on Aug 29, 2016

Стробоскопический осциллограф Keysight DCA-X 86100D позволяет проводить точные измерения характеристик цифровых устройств со скоростью передачи данных от 50 Мбит/с до 80 Гбит/с и более.

 

Типовые приложения такого осциллографа - это:

  • измерение характеристик оптических сигналов при разработке и производстве приемопередатчиков;
  • измерение характеристик электрических сигналов при разработке и тестировании специализированных интегральных схем и ПЛИС;
  • измерение параметров отражения и передачи во временной области и S-параметров при разработке последовательных шин, кабелей и определение характеристик печатных плат.

 

В осциллографе Keysight 86100D DCA-X сочетаются широкая аналоговая полоса пропускания, малое значение вносимого джиттера и низкий уровень собственных шумов, что позволяет проводить точные измерения характеристик оптических и электрических устройств со скоростью передачи данных от 50 Мбит/с до 80 Гбит/с. Базовый блок обеспечивает основу для глубокого анализа разработки, включая функцию компенсации эффектов воздействия кабелей и тестовых приспособлений, что позволяет повысить точность измерений и дает возможность определить реальные характеристики разрабатываемых устройств.

 

Модульная конструкция позволяет наращивать возможности системы по мере необходимости. Осциллограф DCA-X поддерживает широкий набор модулей для тестирования оптических и электрических устройств. Можно выбрать подходящий модуль, обеспечивающий нужное значение полосы пропускания, фильтрацию и чувствительность. С базовым блоком DCA-X могут использоваться любые модули семейства DCA, при этом обеспечивается 100% обратная совместимость с базовым блоком 86100C предыдущего поколения.


Типовые конфигурации системы:

1. Для получения консультации по конфигурации системы для конкретного приложения обратитесь в представительство компании Keysight

 

Для удобства эксплуатации в осциллографе Keysight DCA-X 86100D используется два пользовательских интерфейса: классический интерфейс анализатора сигналов цифровой связи (DCA) для обеспечения полной обратной совместимости с ранее выпускавшимися моделями базовых блоков и новый интерфейс FlexDCA, который обеспечивает дополнительные измерительные функции и расширенные возможности анализа сигналов.
С помощью панели инструментов и выпадающих меню можно выполнять различные виды измерений, причем конкретные доступные виды измерений зависят от режима работы DCA-X.

 

Рис. 1 Внешний вид осциллографа DCA-X 86100D

 

В данной статье описываются возможности исследования характеристик высокоскоростных оптических сигналов на примере псевдослучайной последовательности длиной 127 символов и скоростью 10 Гбит/с.

 

Состав измерительной системы представлен на рис. 2. В качестве источника сигнала в данной измерительной системе используется блок генератора цифровых последовательностей тестера коэффициента битовых ошибок (BERT) Keysight N4960A. Параметры сигнала: частота синтезатора тактового сигнала – 5 ГГц (таким образом, скорость сигнала составляет 10 Гбит/с), амплитуда сигнала 0,5 В. Тип последовательности сигнала – псевдослучайная двоичная (PRBS). Длина последовательности - 2^7-1 символов, то есть 127 битов. Электрооптический преобразователь Keysight 81490A (опорный передатчик), находящийся в измерительной оптической системе настроен на длину волны преобразованного оптического сигнала – 1305,3 нм. В базовый блок стробоскопического осциллографа установлены два модуля: модуль восстановления тактового сигнала 83496B и модуль измерительный с оптическим и электрическим каналами 86105C.


Рис. 2 Состав измерительной системы

 

Находясь в режиме осциллографа (подсвечена кнопка Scope на передней панели или в левом верхнем углу экрана отображена надпись Oscilloscope на зеленом овале), отображается сигнал на экране. Так как система запуска не настроена, на экране осциллографа изначально вы не можете наблюдать четкую цифровую последовательность. Да что тут говорить. И никакого сигнала запуска у нас тоже пока нет. Пример в этой статье ярко демонстрирует ситуацию, когда попросту неоткуда взять тактовый сигнал в качестве сигнала запуска. Кстати такая ситуация может возникнуть и тогда, когда используется достаточно длинный оптоволоконный кабель и из-за дисперсии в волокне выходной оптический сигнал становится несинхронным с изначальным тактовым сигналом, подаваемым на тестируемое устройство. 


Рис. 3 Сигнал не синхронизирован с сигналом запуска

 

Поэтому в данном эксперименте мы восстановим тактовый сигнал уже из выходного оптического. Итак, настроим систему восстановления тактового сигнала. Для этого используется модуль восстановления тактового сигнала 83496B, который способен из электрического или оптического сигнала восстановить тактовую последовательность импульсов. Далее этот модуль подает восстановленный сигнал на систему запуска, а оставшийся сигнал подает на выходной канал модуля. Система синхронизации в данном случае будет работать по восстановленному тактовому сигналу цифровой последовательности (режим CDR). Если модуль восстановления тактового сигнала не используется, на переднюю панель необходимо подавать сигнал запуска отдельно, который должен иметь такую частоту, чтобы частота самого сигнала была ей кратная.


Рис. 4 Сигнал синхронизирован с восстановленным тактовым сигналом

 

Теперь возможно проводить измерения параметров и анализ оптического сигнала. Конечно, мы могли бы подробно остановится, какие измерения доступны в обычном режиме осциллографа, но думаю, таких измерений в нашем блоге Вы увидите еще не один раз. Так данный осциллограф имеет несколько других режимов работы: режим анализа джиттера, режим глазковой диаграммы. Нет ничего лучше, чем проанализировать глазковую диаграмму цифрового сигнала. Именно она содержит в себе большое количество параметров. Проанализируем её. Для этого перейдем в режим Eye Mask нажатием кнопки на передней панели либо кликом мышью в левом верхнем углу по цветной кнопке и выберете режим Eye/Mask.


Рис. 5 Анализ глазковой диаграммы цифрового оптического сигнала

 

В режиме отображения глазковой диаграммы (см. рис. 5) просто определить коэффициент затухания (Extinction Ratio), среднюю мощность сигнала, время нарастания и время спада, величину общего джиттера и другие характеристики. Обратите внимание на среднеквадратичное значение джиттера исследуемого сигнала. Вы получаете это значение в реальном времени, измерение за измерением. Заметили, что со временем значение увеличивается. Да и сама глазковая диаграмма становится толще, благодаря включенному послесвечению. Ах да, перед Вами просто фотография... Но поверьте на слово, чем дольше ждать, тем больше становится значение измеренного джиттера. Это все из-за случайной составляющей. Она не ограничена и обусловлена фундаментальными мелкими процессами, которыми управлять у Вас точно не получится. Но здесь возникает несколько вопросов. Какое значение СКЗ джиттера истинно? Сколько отсчетов ждать? Если есть случайная составляющая, от которой мы не можем избавиться, какова детерминированная составляющая? Уж она-то точно должна быть стабильной... Вопросов много. Но многие из них решаются открытием того или иного стандарта, в котором будет написано, сколько же ждать. Или будет написан совсем другой параметр - коэффициент битовых ошибок (BER), и для этого числа (10 в -12 степени, например) будет указан максимально допустимый джиттер. Так или иначе джиттер необходимо проанализировать более детально, если Вы хотите разобраться более глубоко в причинах искажения сигнала. Для этого используется уже совершенно другой режим...

 

Итак, проанализируем теперь джиттер исследуемого цифрового оптического сигнала и его составляющие. Для этого перейдем в режим Jitter нажатием кнопки на передней панели либо кликните мышью в левом верхнем углу по цветной кнопке и выберете режим Jitter/Noise. При активации режима измерения джиттера прибор автоматически проводит разложение джиттера на составляющие и отображает результаты в графическом и табличном виде (см. рис. 6).

 

Рис. 6 Разложение джиттера сигнала на составляющие и его анализ

 

В таком режиме мы можем определить значения различных составляющих джиттера и в зависимости от того, какая из них доминирует, понять, в чем проблема данного цифрового потока. Таким образом, легко определить TJ, RJ, DDJ, PJ, DCD и другие (см. рис. 7). Посмотрите внимательно на окно анализа джиттера рис. 6. Здесь указан полный джиттер сигнала, а скобочках указано число - BER. Значение джиттера в этом режиме в несколько раз больше, чем в режиме глазковой диаграммы. Почему? Чему верить? Верить обоим результатам. Просто в режиме анализа джиттера проводится не только измерение джиттера, но и "предсказание", то есть моделирование поведения Вашей испытуемой системы при различных уровнях BER. И происходит это мгновенно. Если бы не этот режим, то ждать нам пришлось что-то около дня, а, может, и больше.Таким образом, Вы будете знать, какое значение джиттера стоит ожидать при том или ином BER. Правда, здорово?


Рис. 7 Обзор различных компонент джиттера

 

C помощью системы BERT N4960A в генерируемый сигнал возможно "подмешивать" различные составляющие джиттера на различных частотах и с различной амплитудой. Таким образом, проводятся "стрессовые" испытания компонент систем передачи данных. "Стрессовые" испытания необходимы для калиброванного ухудшения передаваемого сигнала, которое, в свою очередь, используется для проверки устройства на допускаемый уровень внешних воздействий. Есть три класса составляющих внешнего воздействия ("стресса"):

  • Воздействия на джиттер сигнала (Jitter Stresses), то есть временные отклонения глазковой диаграммы от идеальной теоретической (см. рис. 8а). Когда мы смотрим на глазковую диаграмму, мы наблюдаем дрожание сигнала и стремление глазка к закрытию в горизонтальном направлении.
  • Интерференция, в данном случае представляющая собой амплитудную модуляцию сигнала данных. Результаты такого воздействия проявляются в вертикальном закрытия глаза (см. рис. 8б).
  • Перекрестные помехи от «агрессоров» - новый класс «стрессовых» сигналов часто включается в испытаниях на соответствие стандартам. При тестировании, эти независимые контрольные сигналы подаются в конец линии связи и на альтернативную линию в начало. Такие перекрестные помехи вызывают периодическое закрытие глаз (см. рис. 8в).


а) 


б) 


в) 
Рис. 8 Глазковая диаграмма сигнала после различных типов внешнего воздействия:
а) воздействие на джиттер б) интерференция в) перекрестные помехи

 

Возвращаясь к описанной измерительной установке, обратите внимание на изображение более размытого сигнала в правом нижнем углу рис. 9 из-за возросшего джиттера, то есть воздействия на результирующий джиттер сигнала.

 


Рис. 9 Отображение результатов измерения джиттера после добавления одного из компонент детерминированного джиттера (DJ)

 

Таким образом, с помощью такой (см. рис. 2) измерительной системы становится возможным тестирование приемников различных цифровых стандартов, а именно мы получаем следующие ключевые возможности:

  • генерация сигнала, подаваемого на приемник, со скоростью до 32 Гбит/с и более (используя мультиплексоры различного конструктивного исполнения),
  • «подмешивание» различных составляющих джиттера в сигнал и измерение отклика приемника (закрытие глазка, джиттера и т.д.),
  • гибкость по отношению к различным интерфейсам: электрическим и оптическим,
  • наиболее точный анализ форм сигналов и глазковой диаграммы,
  • автоматическое тестирование на удовлетворение требований по джиттеру.

Outcomes