Skip navigation
All Places > Keysight Blogs > Keysight Russia > Blog > Authors VitalyMorarenko
1 2 Previous Next

Keysight Russia

23 Posts authored by: VitalyMorarenko Employee

Знание ключевых параметров генератора сигналов произвольной формы (AWG) позволяет принять оптимальное решение при покупке, сэкономив время и деньги. Научитесь сравнивать параметры генераторов сигналов произвольной формы разных типов и производителей: объём памяти, частоту дискретизации, динамический диапазон и полосу сигнала. Давайте обсудим эти параметры подробнее.

 

Объём памяти

Объёмом памяти называется количество ячеек памяти, доступных для сохранения длинных сигнальных последовательностей, создаваемых пользователем. Этот параметр выражается в выборках (выб). Данные из памяти поступают на цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), который создаёт ступенчатое представление нужного сигнала. Большие частоты дискретизации и объёмы памяти нужны для более точного воспроизведения сигналов.

 

Частота дискретизации

Частотой дискретизации называется число выборок, которые может выдать ЦАП за определённый интервал времени. Этот параметр выражается в гигавыборках в секунду (Гвыб/с). Частота дискретизации определяет максимальную частотную составляющую выходного сигнала генератора. Кроме термина «частота дискретизации» часто используются термины «тактовая частота» и «частота выборок». Основная формула, связывающая объём памяти с частотой дискретизации выглядит так:

 

Объем памяти / Частота дискретизации = Время воспроизведения

 

Из этой формулы видно, что с ростом частоты дискретизации необходимый объём памяти растёт, а время воспроизведения сокращается. Время воспроизведения определяет максимальную длительность сигнала, которую может создать генератор сигналов произвольной формы. Также это время воспроизведения называют временем до повторения. Например, при объёме памяти 256 квыб и частоте дискретизации 64 Гвыб/с получается время воспроизведения 4 микросекунды. Это не очень большое значение. Вот почему для увеличения времени воспроизведения нужен большой объём памяти.

 

Динамический диапазон – вертикальное разрешение (разрядность ЦАП)

Этот параметр характеризует выходной сигнал ЦАП и выражается минимальным значением шага напряжения. Динамический диапазон измеряется в децибелах по отношению к амплитуде несущей (дБн). Например, 8-разрядный ЦАП для создания нужного сигнала может вывести два в восьмой степени или 256 значений напряжения. Сравнивая разрядность ЦАП генераторов сигналов произвольной формы разных моделей важно знать, что каждый дополнительный разряд ЦАП удваивает вертикальное разрешение.

 

Полоса частот сигнала

Выход генератора сигналов произвольной формы ограничен некоторой максимальной выходной частотой. Полосой сигнала генератора называют диапазон частот выходного сигнала, который он может надёжно воспроизвести. Этот параметр называют еще “скоростью передачи данных” и измеряют в гигабитах в секунду (Гбит/с). Заметьте, что полоса сигнала зависит от частоты дискретизации, но не равна ей. Давайте рассмотрим, почему это происходит:

  1. ЦАП должен точно воспроизводить сохранённый в памяти сигнал, создавая не менее двух значений сигнала за период. Это следует из теоремы Котельникова. В результате частота дискретизации 1 Гвыб/с соответствует частоте выходного сигнала ЦАП 500 МГц, что равно половине частоты дискретизации.
  2. Выходной сигнал ЦАП не гладкий, а является ступенчатым представлением сохранённой в памяти формы напряжения. В связи с этим выходной сигнал ЦАП нужно фильтровать. Для этого в генераторе сигналов произвольной формы используется так называемый восстанавливающий (реконструкционный) фильтр, который сглаживает выходной сигнал. Однако за такую фильтрацию приходится расплачиваться дополнительными 10 процентами отношения частоты дискретизации к частоте выходного сигнала. Формула этого соотношения приведена ниже. Например, упомянутая выше частота дискретизации 1 Гвыб/с позволяет получить максимальную частоту выходного сигнала 400 МГц.

 

Максимальная частота выходного сигнала генератора = Частота дискретизации x 40 %

 

Динамический диапазон, свободный от паразитных составляющих (SFDR)

Этот параметр измеряется в частотной области и определяется отношением амплитуд выбранной частоты к амплитуде наивысшей видимой паразитной или гармонической составляющей в заявленной полосе. Это значение измеряется в децибелах по отношению к амплитуде выбранной частоты. В центре экрана на рисунке 1 показана выходная частота генератора, а слева от неё видна паразитная составляющая, амплитуда которой на 94,54 дБ меньше.

 

Рисунок 1. Отношение уровня центральной частоты к уровню паразитной составляющей


Число эффективных разрядов (ENOB)

Число эффектинвных разрядов (англ. Effective Number of Bits) или просто ENOB определяется на основе разрядности ЦАП. Оно меньше разрядности ЦАП из-за влияния гармоник, паразитных сигналов и собственных шумов генератора. Заметьте, что этот параметр меняется в пределах полосы частот генератора, поэтому для получения значения на интересующей вас частоте нужно использовать график зависимости ENOB от частоты. Заметьте также, что график на рисунке 2 относится к 14-разрядной системе, но из-за влияния шумов и искажений приёмника видно, что на частоте 1,5 ГГц реальное разрешение снижается до 9 разрядов.

Рисунок 2. Зависимость ENOB от частоты

 

ENOB отлично демонстрирует реальные характеристики генератора сигналов произвольной формы с учётом эффектов, влияющих на качество сигнала. ENOB можно измерить или рассчитать (формула приведена ниже). Заметьте, что SINAD – это отношение полной мощности сигнала к мощности шумов и помех.


Джиттер

Джиттер сигнала может вызвать сдвиг фронтов и уровней сигнала, что может привести к возникновению ошибок в системе. Значение джиттера обычно определяется двойным размахом (от пика до пика) сдвига между тактовой частотой и выходными данными и измеряется в пикосекундах.

 

Заключение

  • Знайте основные параметры генератора сигналов произвольной формы, чтобы правильно выбрать генератор для своей задачи:
  • Объём памяти, частота дискретизации и время воспроизведения взаимосвязаны.
  • Полоса сигнала не совпадает с частотой дискретизации, а равна 40% от этого значения.
  • О реальном разрешении нужно судить по ENOB, а не по разрядности ЦАП.
  • Учитывайте параметры джиттера для оценки истинного качества сигнала.

 

Дополнительная информация о генераторах сигналов произвольной формы приведена в документе "Keysight Fundamentals of Arbitrary Waveform Generation - Reference Guide".

Обычно мы публикуем в этом блоге советы по работе с осциллографом, но сегодня мы хотим рассказать о другом контрольно-измерительном приборе, который часто используется вместе или наряду с осциллографами.

 

Генераторы сигналов произвольной формы (англ. - Arbitrary Waveform Generator (AWG)) являются самыми гибкими среди всех генераторов. Эти приборы могут генерировать любые математически описанные сигналы, включая синусоидальные, импульсные, модулированные, многотональные, поляризованные и фазоуправляемые сигналы. Часто генератор сигналов произвольной формы выступает в роли рабочей лошадки, поскольку может выполнять функции генераторов любого другого типа. Типовая структурная схема генератора сигналов произвольной формы показана ниже. Сначала цифровое описание сигнала извлекается из памяти. Затем выборки сигнала поступают на цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), фильтруются, усиливаются и выводятся в виде аналогового сигнала.

 

Типовая структурная схема генератора сигналов произвольной формы

 

Подробное описание функциональных блоков генератора сигналов произвольной формы

1. Память

Цифровое представление сигнала может загружаться в память генератора сигналов произвольной формы из различных программных приложений, таких как MATLAB, LabView, Visual Studio Plus, IVI и SCPI. Память тактируется с максимальной частотой дискретизации, которую поддерживает генератор. Объём памяти определяет максимальное время воспроизведения сигнала. Для определения времени воспроизведения можно воспользоваться простым правилом: нужно разделить объём памяти на частоту дискретизации. Чем выше частота дискретизации, тем быстрее будет расходоваться память.

 

2. Секвенсор

Секвенсор может решить проблему ограниченного объёма памяти, позволяя строить сигнал из отдельных сегментов. Для этого секвенсору нужно извлекать из памяти только ключевые фрагменты сигнала, а не считывать её постоянно. Это можно представить себе так: допустим, вы записываете матч по гольфу. Сколько времени займёт запись, если записывать только те моменты, когда игроки бьют по мячу, а их прогулки и установку мяча не записывать? Секвенсор работает примерно так же, считывая из памяти только переходы сигнала, и не обращаясь к ней, когда сигнал не меняется. Синхронизация поддерживается генератором синхросигнала, который включает воспроизведение в нужные моменты. Синхрособытие может быть внутренним, внешним или поступать из другого генератора.

 

3. Маркеры и синхросигналы

Выходы маркеров нужны для синхронизации внешнего оборудования. Входы синхросигналов используются для изменения режима работы секвенсора, что приводит к подаче на ЦАП сигнала нужной формы. В приложениях, требующих точной синхронизации (например, для создания широкополосных ЛЧМ сигналов) могут использоваться аппаратные или программные синхрособытия. Кроме того, их можно использовать для синхронизации нескольких генераторов, которые надо запускать одновременно.

 

4. Генератор тактовой частоты

Генерация сигнала выполняется под управлением внутреннего или внешнего источника тактовой частоты. Контроллер памяти сохраняет элементы сигнала в памяти, а затем подаёт их в нужном порядке на ЦАП. Контроллер памяти экономит место, зацикливая повторяющиеся элементы, что позволяет записывать такие элементы в память сигнала лишь однократно. Генератор тактовой частоты управляет работой и ЦАПа и секвенсора.

 

5. Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП)

Содержимое памяти сигнала считывается в ЦАП. Здесь цифровые значения напряжения преобразуются в аналоговые напряжения. Разрядность ЦАПа непосредственно характеризует вертикальное разрешение генератора сигналов произвольной формы. Чем выше разрядность ЦАПа, тем больше вертикальное разрешение, и тем больше деталей может содержать выходной сигнал. Для достижения большей скорости обновления сигнала по сравнению со скоростью чтения памяти, ЦАПы могут использовать интерполяцию.

 

6. Фильтр нижних частот

Поскольку сигнал на выходе ЦАПа представляет собой последовательность ступенек напряжения, он богат гармониками и требует фильтрации для получения сглаженного синусоидального аналогового сигнала.

 

7. Выходной усилитель

После фильтра сигнал поступает на усилитель. Усилитель контролирует коэффициент усиления и смещение. Это даёт гибкость, необходимую для настройки амплитуды и смещения выходного сигнала в зависимости от конкретного приложения. Например, вам может понадобиться широкий динамический диапазон для сигналов РЛС и спутникового оборудования или широкая полоса для высокоскоростных и когерентных оптических решений.

 

Используйте описанную в этом блоге структурную схему для понимания того, что происходит внутри генератора, и для полного использования его возможностей. Для более глубокого изучения работы генератора сигналов произвольной формы я рекомендую загрузить подробное руководство "Основы генераторов сигналов произвольной формы".

Полосой пропускания осциллографов и осциллографических пробников называется выраженный в герцах диапазон рабочих частот. Обычно полоса пропускания определяется по частоте, на которой сигнал ослабляется до 70,7 % от исходного значения входного сигнала, что соответствует снижению уровня на 3 дБ. Большинство производителей осциллографов стараются сделать амплитудно-частотную характеристику осциллографа/пробника в указанном частотном диапазоне как можно равномернее, и большинство потребителей просто полагаются на указанную полосу пропускания осциллографа или пробника, не задумываясь над тем, действительно ли они получают указанную полосу для всего измерительного тракта, начиная с наконечника пробника. Теперь вы можете воспользоваться приведенными ниже несложными пошаговыми инструкциями для проверки полосы пропускания своего пробника с осциллографом, которым вы пользуетесь.

 

Рис. 1 Пример гауссовой амплитудно-частотной характеристики осциллографа.

 

Для измерения полосы пропускания осциллографического пробника часто используют векторный анализатор цепей (VNA), который обычно дорого стоит и сложен в использовании. Кроме того, типичные пассивные пробники обладают высоким сопротивлением и рассчитаны на подключение ко входу осциллографа с входным сопротивлением 1 МОм, что делает традиционный метод измерения параметра S21, используемый векторным анализатором, сложно реализуемым в связи с тем, что эта система обладает волновым сопротивлением 50 Ом.

 

Другой способ измерения полосы пропускания заключается в непосредственном измерении АЧХ с помощью источника синусоидального сигнала, ответвителя и измерителя мощности. Для выполнения такого измерения вам придётся подключить эти приборы через интерфейс дистанционного управления, такой как GPIB или USB. Ручное выполнение этой работы очень трудоёмко, подвержено ошибкам и требует больших усилий при необходимости внесения изменений в измерительную схему.

 

Более простой способ измерения полосы пропускания пробника, а особенно пробника с узкой полосой (например, пассивного пробника с полосой <1 ГГц), заключается в выполнении измерения во временной области с помощью осциллографа, имеющего встроенный источник прямоугольного сигнала, функцию дифференцирования и функцию быстрого преобразования Фурье (БПФ). Для использования этого метода осциллограф должен поддерживать второй функциональный выход. В противном случае альтернативный метод заключается в сохранении осциллограммы осциллографом, импортировании её в компьютерное ПО анализа, такое как Matlab, и применении математических функций для обработки прямоугольного сигнала.

 

Когда вы подаёте на свою систему прямоугольный сигнал, вы получаете отклик на перепад. Если теперь применить к нему дифференцирование, вы получите импульсную характеристику; выполнив быстрое преобразование Фурье от этой импульсной характеристики, вы получите частотную характеристику системы.

 

Осциллограф реального времени Keysight Infiniium является превосходным инструментом для такой быстрой оценки полосы пропускания. Ниже приведена пошаговая процедура измерения. В данном примере измерения использовался пассивный пробник N2873A 500 МГц и осциллограф Infiniium DSO9404A с полосой пропускания 4 ГГц.

  • Подключите вспомогательный выход осциллографа ко входу осциллографа с помощью измерительной оснастки, такой как Keysight E2655C, и 50-омного кабеля с разъёмом BNC. Осциллограф Infiniium имеет вспомогательный выходной порт Aux, обеспечивающий прямоугольный сигнал с крутыми фронтами (~340 пс, 10-90 % для серии Infiniium 9000), который предназначен для калибровки пробника. Важно отметить, что длительность фронта сигнала источника должна быть короче фронта пробника, и АЧХ источника должна быть достаточно равномерной в исследуемой полосе частот.

 

Рис. 2. Измерение источника сигнала сопротивлением 25 Ом с помощью измерительной оснастки Keysight E2655C

 

  • Подключите пробник к измерительной оснастке для измерения одного фронта источника. Провод заземления пробника должен быть как можно короче для снижения влияния на исследуемую цепь.

Ch 1 (жёлтый) = источник (выход Aux), нагруженный пробником
Ch 2 (зелёный) = измеренный выход пробника

 

Рис. 3. Развертка крутого фронта

 

  • Расположите фронты сигналов по центру экрана, настройте запуск по выходу пробника (ch2) и используйте усреднение или захват с высоким разрешением для снижения шума сигнала.
  • Используйте встроенную математическую функцию осциллографа для дифференцирования реакции на перепад. Вы получите импульсную характеристику канала 2, к которому подключен пробник. Привяжите дифференцированный выход реакции на перепад к функции F1 осциллографа.

Рис. 4. Использование встроенной математической функции осциллографа для дифференцирования реакции на перепад

 

  • Примените к импульсной характеристике (F1) измеренного прямоугольного сигнала встроенную функцию FFT Magnitude. Измените масштаб БПФ на 100 МГц/дел (центральная частота на 500 МГц при полной полосе экрана 1 ГГц) и 3 дБ/дел по вертикали.

 

Рис. 5. Примените к импульсной характеристике встроенную функцию FFT Magnitude

 

  • Теперь вы получите график амплитудно-частотной характеристики. Поскольку вертикальный масштаб БПФ установлен на 3 дБ/дел, а горизонтальный масштаб – на 100 МГц/дел, можно увидеть, что пробник имеет полосу пропускания ~530 МГц.

 

Рис. 6. Теперь вы получили график АЧХ

 

Но есть одна хитрость. В некоторых осциллографах функция дифференцирования производит наилучшее приближение наклона по трём соседним точкам, а затем присваивает этот наклон центральной точке. Это может исказить результаты измерения, если плотность выборок на спаде характеристики окажется недостаточно большой, поэтому поэкспериментируйте с плотностью выборок и убедитесь, что она не влияет на полосу пропускания.

 

Заключение

Применение встроенных математических функций современных цифровых осциллографов позволяет измерить частотную характеристику или полосу пропускания пробника по его реакции на прямоугольный сигнал с крутыми фронтами. По сравнению с некоторыми другими методами измерения этот подход является самым простым и не требует применения дорогостоящих измерительных приборов.

Практически все, кому приходилось работать с осциллографом хотя бы раз, пользовались осциллографическим пробником. Некоторые остались довольны, а некоторые – нет, возможно, по своей собственной вине. В этой статье я постараюсь развеять некоторые мифы и заблуждения, сложившиеся вокруг осциллографических пробников, чтобы пользователи могли получать более достоверные результаты измерений.

 

МИФ 1 Для измерения сигнала частотой 100 МГц нужно брать пробник с полосой пропускания 100 МГц.


Полоса пропускания осциллографических пробников определяется тем же способом, что и полоса пропускания осциллографа, с которым они используются – по спаду амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) на 3 дБ. Чтобы проиллюстрировать этот факт, мы измерили синусоидальный сигнал с размахом амплитуды 1 В и частотой 100 МГц с помощью пробника с полосой 100 МГц. Амплитуда сигнала на выходе пробника снизилась до 0,7 В. Следовательно, пробник с полосой пропускания 100 МГц не вполне подходит для измерения сигнала 100 МГц. Согласно простому и широко известному правилу, полоса пропускания пробника должна в 3-5 раз превышать максимальную частотную составляющую измеряемого сигнала. Это позволяет захватывать третью и пятую гармонику основной частоты цифрового сигнала, и развёртка на экране осциллографа будет точнее воспроизводить реальный сигнал с крутыми фронтами.

 

Ещё одно полезное правило выражается формулой:

 

полоса пропускания × длительность перепада = 0,35,

где длительность перепада измеряется между уровнями 10%-90%.

 

С помощью этого правила можно определить полосу пропускания, необходимую для измерения перепада исследуемого сигнала, или определить самый крутой перепад, который можно измерить пробником с некоторой полосой пропускания.

 

МИФ 2. Активные пробники нужны только для широкополосных измерений.

 

Одним из преимуществ активного пробника, которым пренебрегают чаще всего, является его малая нагрузка на исследуемую схему. При каждом прикосновении пробника к исследуемой цепи он становится частью этой цепи. При подключении пробника к исследуемой цепи в схеме появляется дополнительная паразитная цепь, которую называют нагрузкой пробника. Чем больше эта нагрузка, тем больше пробник влияет на измеряемый сигнал. Производители пробников указывают входное сопротивление и ёмкость своих пробников.

 

Типичный пассивный пробник с полосой пропускания 500 МГц имеет входное сопротивление 10 МОм с параллельной ёмкостью 9,5 пФ, тогда как активный пробник с полосой пропускания 1 ГГц может иметь сопротивление 1 МОм с параллельной ёмкостью 1 пФ. На постоянном токе такой пассивный пробник выглядит для измеряемой цепи как подключенный к земле резистор 10 МОм, тогда как активный пробник будет иметь сопротивление 1 МОм. Оба эти сопротивления очень велики, а значит, не будут оказывать заметного влияния на низкочастотные сигналы. А вот на высокой частоте всё больше начинает сказываться отрицательное влияние ёмкости пробника на измеряемую цепь. Например, на частоте 75 МГц ёмкость пассивного пробника будет иметь импеданс 150 Ом, тогда как ёмкость активного пробника будет иметь импеданс 2,5 кОм. Меньшая ёмкость активного пробника приводит к тому, что на частотах выше 10 кГц он окажет меньшее влияние на переменные составляющие сигнала по сравнению с пассивным пробником.

 

МИФ 3. Все пробники ослабляют сигнал в пропорции 10:1.


Пробники ослабляют измеряемый сигнал так, чтобы напряжение на входе осциллографа не превышало допустимого значения. Большие коэффициенты ослабления 10:1, 50:1, 100:1 и т.п. используются для измерения больших напряжений, а меньшие коэффициенты ослабления – 2:1 и 1:1 – лучше подходят для малых напряжений. Это важно учитывать при выборе пробника. Так, для измерения сигнала с размахом амплитуды 1 В можно использовать пассивный пробник 10:1 или 1:1, но пассивный пробник 1:1 обеспечит значительно лучшее отношение сигнала к шуму.

 

МИФ 4. Просто подключите пробник, и всё будет хорошо.


Это недопонимание может возникать, когда вы видите огромное число соединительных принадлежностей, входящих в комплект поставки пробника, и думаете, что единственным их назначением является подключение пробника к тестируемому устройству. Эти принадлежности предназначены для удобства пользователя, чтобы он мог быстро и просто выполнять качественные измерения – увидеть, есть ли питание, и поступает ли тактовая частота. Выполняя же количественные измерения – длительности перепада, периода, выброса и т.п., лучше исключить все принадлежности и использовать максимально короткое соединение. Принадлежности большой длины добавляют в тракт сигнала индуктивность и сильно сужают его полосу пропускания, одновременно повышая нагрузку на измеряемую цепь.

 

МИФ 5. Земля – это всегда про заземление.


Это утверждение кажется совершенно очевидным, но для осциллографического пробника оно может быть несправедливым. Всё зависит от того, как именно пробник подключен к земле. Земляной провод пробника обладает некоторой индуктивностью, и его импеданс растёт пропорционально частоте. Чем длиннее земляной провод, тем больше его индуктивность, и тем меньше частота, на которой эта индуктивность начинает создавать проблемы. Дело в том, что обратный ток, протекающий по экрану пробника, сталкивается с этим импедансом. Это сужает полосу пропускания пробника и создаёт звоны на перепадах сигнала. Кроме того, чем длиннее земляной провод, тем больше площадь создаваемой им петли, которая ведёт себя как антенна, улавливающая посторонние шумы. Поэтому всегда нужно стремиться к тому, чтобы земляной провод был как можно короче.

 

МИФ 6. Для измерения мощности нужно использовать токовый пробник и пробник напряжения.


Мощность есть ток, перемноженный на напряжение, поэтому приведённое выше утверждение представляется истинным. Подвох в том, что оно неполное. Для точного измерения мощности осциллографом надо учитывать сдвиг фазы между пробником напряжения и пробником тока. Электрические длины пробников тока и напряжения, как правило, не равны. Это связано с длиной кабелей и задержками в активных цепях, и может приводить к тому, что сигналы двух пробников приходят в осциллограф не синхронно. При этом для таких систем, как импульсные источники питания, в которых ток и напряжение динамически меняются, результат произведения тока на напряжение окажется неверным. Коррекция сдвига фаз устраняет разницу времени прохождения сигналов по цепям пробников и исправляет эту ошибку. В прилагаемой к пробникам документации должно содержаться детальное описание этой процедуры, которая обычно подразумевает подключение пробников к известному сигналу, например, к предлагаемому производителем специальному приспособлению, и коррекцию сдвига фаз путём настройки задержки канала осциллографа. Многие осциллографы имеют встроенную процедуру коррекции сдвига фаз, которая выполняется автоматически при подключении к эталонному сигналу.

 

МИФ 7. Для устранения постоянной составляющей нужно применить фильтрацию постоянного тока или связь по переменному току.


Часто исследуемый сигнал представляет собой сигнал переменного тока со смещением сравнительно большой постоянной составляющей. Примером такого сигнала могут служить пульсации и шум источников питания постоянного тока. Классический подход заключается в том, чтобы включить последовательно с пробником конденсатор достаточно большой ёмкости, который не пропускает постоянную составляющую и позволяет расположить развёртку сигнала в центре экрана в наиболее комфортном для исследования масштабе. Но лучше использовать для этого пробник с встроенной функцией смещения, например, пробник Keysight N7020A Power Rail.

 

Смещением пробника называется процесс, в ходе которого осциллограф подаёт на пробник компенсирующее напряжение, в идеальном случае уже после большого сопротивления в наконечнике пробника. Преимущество смещения пробника в том, что устраняется только постоянное смещение. Если постоянное смещение блокируется конденсатором, то при этом подавляются и низкочастотные составляющие сигнала. При измерении пульсаций и шума источника питания, блокировка постоянной составляющей отфильтровывает низкочастотный дрейф источника и просадку питания. Ещё одно преимущество смещения пробника заключается в том, что пользователь сам вводит смещение, в результате осциллограф знает, насколько смещён сигнал, и может отобразить эту информацию и использовать её в расчётах и автоматических измерениях.

 

МИФ 8. Никогда не помещайте осциллографические пробники в климатическую камеру.


Были времена, когда это утверждение было справедливым. Однако сегодня имеются специальные возможности для высокотемпературных измерений. Например, Keysight предлагает широкий ассортимент датчиков тока и напряжения, которые могут применяться в климатических камерах и работать в диапазоне температур от -50 до +150 °C. Кроме способности выдерживать высокие температуры эти пробники имеют также и более длинные кабели, что позволяет проводить измерения непосредственно в камере, а наблюдать за измерениями на установленном снаружи контрольно-измерительного оборудовании.

 

МИФ 9. Пробники тока не подходят для измерения “малых” токов.


Многие пользователи осциллографических пробников тока имеют отрицательный опыт измерения малых токов (1-50 мА) и заметили, что разброс показаний пробников тока от измерения к измерению может быть больше, чем сам измеряемый ток. Это связано с целым рядом факторов, таких как изменение положения проводника, проходящего через пробник, тепловой дрейф пробника, остаточная намагниченность или наводка внешних сигналов на измерительный трансформатор тока. Но сейчас выпускаются новые модели пробников, такие как токовые пробники высокой чувствительности Keysight N2820A, которые специально предназначены для измерения очень малых токов (несколько мкА и ниже). Эти пробники отбросили прежний метод измерения на основе магнитного поля и эффекта Холла и вместо этого полагаются на закон Ома. Они представляют собой дифференциальные пробники напряжения, которые измеряют падение напряжения на резистивном датчике с сопротивлением в диапазоне от 1 мОм до 1 МОм, и выводят на осциллограф результаты измерения, выраженные в амперах. Такой подход устраняет перечисленные выше источники ошибок и позволяет точно измерять очень малые токи с помощью осциллографа.

 

МИФ 10. Нельзя использовать два пробника и одновременно управлять осциллографом.


Среди продуктов, выпускаемых производителями пробников, есть держатели и позиционеры пробников, которые не столь широко рекламируются и поэтому не получили широкой известности. Эти удобные принадлежности работают как дополнительная рука, позволяя пользователю управлять осциллографом и одновременно снимать сигналы в нескольких точках. Сложность этих приспособлений простирается от простой подставки с двумя ножками, которая пристёгивается к пробнику, образуя устойчивую треногу, в которой в роли третьей ноги выступает сам пробник, до многокоординатных гибко позиционируемых держателей, которые могут держать пробник в любой ориентации, позволяя контактировать не только с горизонтальными, но и вертикальными объектами.

 

МИФ 11. Сложно снимать сигнал в современных конструкциях с высокой плоскостью монтажа.


Снимать сигнал в устройствах с высокой плоскостью монтажа не так сложно, как многие думают. Производители пробников постоянно создают новые приспособления или линейки пробников, чтобы упростить доступ к сигналам при высокой плотности монтажа. Они уменьшают диаметр новых пассивных пробников, стремясь упростить обзор объектов, или в некоторых случаях снабжают активные пробники подсветкой. Выпускается даже новейшая магнитная головка пробника, Keysight N2851A, в которой пользователь припаивает к контрольной точке небольшую контактную площадку, а пробник подключается к площадке и удерживается на месте маленькими магнитами. Такой пробник можно легко перемещать между контрольными точками.

Введение

Вам нужно одновременно контролировать входы и выходы 16-разрядного счетчика, чтобы определить ошибку синхронизации, но при этом у вас есть только 2-канальный осциллограф. Как же увидеть все это одновременно? Вы только что построили диаграмму сигналов для цифровой схемы. Как ее проверить? Чем воспользоваться для захвата и анализа этих сигналов?

 

Без соответствующего инструмента решение этих задач отнимет массу времени. Лучшим решением для всех перечисленных проблем будет логический анализатор. В этой статье рассматриваются основные вопросы применения логических анализаторов. Прочтя ее, вы получите отличное представление о функциях логического анализатора.

 

Осциллограф или логический анализатор?

Выбирая между осциллографом и логическим анализатором, многие инженеры отдают предпочтение осциллографу. Однако в некоторых случаях польза от осциллографа весьма невелика. Существует множество задач, где логический анализатор может оказаться куда полезней.

 

Когда нужен осциллограф

  • Когда нужно увидеть небольшие выбросы на сигнале
  • Когда нужна высокая точность при определении временных интервалов

 

Когда нужен логический анализатор

  • Когда нужно увидеть много сигналов одновременно

  • Когда нужно представить сигналы именно так, как видит их само оборудование

  • Если нужно синхронизироваться от определенной комбинации сигналов на нескольких линиях и увидеть результат

 

Когда сигнал в вашей системе пересекает пороговое значение, логический анализатор реагирует на него точно так же, как и сама логическая схема. Он распознает лишь два состояния сигнала – «ноль» или «единица». Кроме того, он может синхронизироваться по определенному сочетанию нулей и единиц исследуемых сигналов.

 

В общем случае используйте логический анализатор тогда, когда вам нужно увидеть больше сигналов, чем может показать осциллограф. Логические анализаторы очень полезны для определения временных соотношений или для исследования данных, передаваемых по шине, например, адресов, данных или управляющих сигналов на шине микропроцессора. Они могут декодировать информацию на шинах микропроцессоров и представлять ее в осмысленном виде.

 

Если вы закончили параметрический этап проектирования и занялись исследованиями временных соотношений между многими сигналами, причем вам нужно синхронизироваться по определенному сочетанию логических уровней этих сигналов, то вам нужен именно логический анализатор.

 

Что такое логический анализатор?

Многие логические анализаторы состоят, по сути дела, из двух анализаторов. Первый из них – это анализатор временных диаграмм (АВД), а второй – анализатор логических состояний (АЛС).

 

Принцип работы анализатора временных диаграмм

Анализатор временных диаграмм выводит информацию практически в том же виде, что и осциллограф, откладывая по горизонтальной оси время, а по вертикальной – уровень напряжения. Поскольку форма сигналов в обоих приборах зависит от времени, говорят, что они представляют сигнал во временной области.

 

Выбор правильного метода дискретизации

Анализатор временных диаграмм подобен цифровому осциллографу с вертикальным разрешением один бит. При разрешении один бит анализатор видит только два состояния – «ноль» или «единицу». Для него существует лишь один, определенный пользователем порог напряжения. Если сигнал в момент дискретизации превышает порог, анализатор отображает его как сигнал высокого уровня или «единицу». Если сигнал оказывается ниже порога, он отображается как «ноль» или сигнал низкого уровня. В результате создается список нулей и единиц, представляющий собой однобитное представление входного сигнала. Этот список сохраняется в памяти и используется для восстановления однобитной формы входного сигнала, как показано на рис. 1.

 

Рисунок 1. Точки дискретизации анализатора временных диаграмм
1. Порог
2. Точка дискретизации
3. Результаты дискретизации (0 означает, что сигнал ниже порога)

Результаты дискретизации (1 означает, что сигнал выше порога)

Анализатор временных диаграмм показывает сигнал, реконструированный по результатам дискретизации

 

Анализатор временных диаграмм превращает все сигналы в сигналы прямоугольной формы, что, на первый взгляд, ограничивает его возможности. Однако если вам нужно проанализировать временные соотношения нескольких сотен сигналов путем одновременного их наблюдения, вам нужен именно логический анализатор.
Помните, что каждая точка дискретизации использует одну ячейку памяти. Поэтому, чем выше разрешение (выше частота дискретизации), тем меньше окно захвата.

 

Дискретизация переходов

При захвате пакетных данных, как показано на рис. 2, нужно выбрать максимальное разрешение (например, 4 нс), чтобы захватить быстрые импульсы в самом начале. Это значит, что анализатор временных диаграмм с объемом памяти 4K (4096 отсчетов) прекратит захват данных через 16,4 мкс, и второй пакет данных вы уже не захватите.

 

Во время повседневной отладки нам постоянно приходится регистрировать и сохранять данные в моменты, когда активность сигнала отсутствует. Это приводит к бесполезному расходу памяти анализатора, не давая никакой дополнительной информации. Эту проблему можно решить, если знать, в какие моменты времени возникает переходной процесс и какой будет полярность сигнала – положительной или отрицательной. Эта информация составляет основу анализа переходов и позволяет повысить эффективность использования памяти.

 

Для реализации эффективного анализа переходов нужно использовать на входе анализатора временных диаграмм «детектор переходов» и счетчик. Теперь анализатор будет сохранять только те отсчеты, которым предшествовал переход, вместе со временем, прошедшим от последнего перехода. При таком подходе используется всего две ячейки памяти на каждый переход, а при отсутствии активности – память вообще не используется.

 

В нашем примере мы можем захватить второй пакет, а также третий, четвертый и пятый, в зависимости от того, сколько импульсов входит в состав пакета. В то же время, мы можем сохранить максимальное разрешение 4 нс (рис. 3).

 

Рисунок 2. Дискретизация с высоким разрешением
1. Точки дискретизации (все сохраняются в памяти)
2. 36 нс
3. 50 мкс
4. Память заполнена
4096 х 4 нс = 16,4 мкс


Рисунок 3. Дискретизация с детектором переходов
1. Точки дискретизации
2. Точки дискретизации, сохраненные в памяти
3. 36 нс
4. 50 мкс
5. Потребовалось всего 28 ячеек памяти (14 точек дискретизации + 14 временных интервалов)

 

Захват выбросов

Выбросы имеют дурную привычку появляться в самые неподходящие моменты времени с самыми тяжелыми последствиями. Анализатор временных диаграмм дискретизирует входные сигналы, следит за переходами, возникающими между выборками, и может обнаружить появление выброса. В случае анализатора выброс определяется как переход, несколько раз пересекающий порог между соседними выборками. Для распознания выброса мы должны «научить» анализатор распознавать множественные переходы и показывать их, как выбросы.

 

Хотя отображение выбросов само по себе очень полезно, было бы еще полезней синхронизироваться от выброса и показывать данные, предшествующие ему. Это помогло бы определить причину, вызвавшую выброс. К тому же, такая способность позволила бы анализатору регистрировать данные только тогда, когда нужно – в момент появления выброса.

 

Предположим, что у нас есть система, которая периодически сбоит из-за выбросов на одной из линий. Поскольку выбросы появляются редко, постоянное сохранение данных приведет к невероятному увеличению объема анализируемой информации (при наличии достаточного объема памяти). Или можно взять анализатор без функции синхронизации по выбросам и сидеть перед ним, нажимая кнопку Пуск, пока не заметим выброс.

 

Синхронизация анализатора временных диаграмм

Логический анализатор постоянно захватывает данные и прекращает захват при обнаружении точки трассировки. Это позволяет анализатору показывать информацию, предшествующую точке трассировки (известную, как отрицательное время), а также информацию после точки трассировки.

 

Синхронизация по комбинации сигналов

Определение условий трассировки для анализатора временных диаграмм несколько отличается от настройки уровня синхронизации осциллографа. Многие анализаторы могут синхронизироваться от определенного сочетания нулей и единиц на входных линиях.

 

Для облегчения работы условия синхронизации в большинстве анализаторов можно вводить в виде двоичных (нулей и единиц), шестнадцатеричных, восьмеричных или десятичных чисел или в виде символов ASCII. Использование шестнадцатеричных чисел особенно удобно для анализа шин, имеющих разрядность 4, 8, 16, 24, или 32 бита. Представьте, как сложно было бы указать условия синхронизации 24-битной шины в виде двоичного числа.

 

Синхронизация по фронту

Настройку уровня запуска в осциллографе можно представить, как установку уровня на компараторе, который вызывает запуск осциллографа, когда входное напряжение пересекает этот уровень. При синхронизации по фронту анализатор временных диаграмм работает, в сущности, так же, за исключением того, что уровень запуска определяется установкой логического порога.

 

Хотя многие логические устройства реагируют на уровень, тактовые и управляющие сигналы этих устройств работают, как правило, по фронту. Синхронизация по фронту позволяет начать захват данных в момент тактирования устройства.

 

Можно настроить анализатор так, чтобы он начинал захват данных при появлении фронта тактовой частоты (переднего или заднего) и захватывал все выходы регистра сдвига. Конечно, в таком случае нужно обеспечить задержку точки трассировки, чтобы учесть задержку распространения в регистре сдвига.

 

Принцип работы анализатора логических состояний

Если вы никогда не пользовались анализатором логических состояний, вам может показаться, что это невероятно сложный прибор, на овладение которым нужно потратить массу времени. Истина в том, что многие разработчики аппаратуры считают анализатор логических состояний очень полезным инструментом.

 

Когда нужен анализатор логических состояний

"Логическим состоянием" логической схемы называется значение шины или линии в момент, когда данные достоверны.


Давайте рассмотрим обычный D-триггер. Данные на входе D недостоверны до тех пор, пока не появится положительный фронт тактового сигнала. Таким образом, состояние этого триггера соответствует моменту появления положительного фронта тактового сигнала.


Теперь представьте, что у нас есть восемь таких триггеров. Все восемь подключены к одному и тому же тактовому сигналу. При появлении положительного фронта тактового сигнала все восемь триггеров захватывают данные со своих "D" входов, и это происходит при каждом положительном фронте тактового сигнала. Эти восемь линий аналогичны шине микропроцессора.


Если мы подключим к этим восьми линиям логический анализатор и скажем ему, регистрировать данные при каждом появлении положительного фронта тактового сигнала, анализатор как раз и будет анализировать логические состояния. Никакая активность на входе не будет регистрироваться, пока сигнал тактовой частоты не перейдет в единицу.

 

Анализатор временных диаграмм использует для управления дискретизацией встроенный генератор тактовой частоты, в результате он асинхронно дискретизирует сигналы исследуемой системы. Анализатор состояния дискретизирует сигналы синхронно, поскольку он получает тактовую частоту от самой системы.
Как правило, анализатор состояния выводит данные в виде списка, тогда как анализатор временных диаграмм выводит данные в виде временной диаграммы.

 

Что такое тактовая частота

В анализаторе временных диаграмм дискретизация выполняется под управлением внутреннего генератора тактовой частоты. Это сильно упрощает ситуацию. Однако в микропроцессорных схемах система может иметь несколько тактовых частот.


Предположим, что мы хотим засинхронизироваться от определенного адреса памяти и увидеть сохраненные в нем данные. Будем считать, что в системе используется процессор Zilog Z80.


Чтобы наш анализатор мог захватывать адреса процессора Z80, он должен регистрировать данные в тот момент, когда линия MREQ переходит в ноль. Однако для захвата данных анализатор должен делать выборку в момент, когда в ноль переходит линия WR (цикл записи) или когда в ноль переходит линия RD (цикл чтения). Некоторые процессоры передают данные и адрес по одним и тем же линиям. Анализатор должен уметь считывать информацию с одной и той же шины, но в разные моменты времени.

 

Рисунок 4. Временная диаграмма работы памяти
1. Операция чтения
2. Операция записи
3. Тактовая частота
4. Ожидание
5. Достоверный адрес
6. Достоверные данные
7. Выходные данные

 

Во время цикла чтения или записи Z80 сначала выводит адрес на шину адреса. Затем он устанавливает сигнал MREQ, показывая, что на шине присутствует достоверный адрес для чтения или записи в память. После этого устанавливается линия RD или WR, в зависимости от того, что выполняется, чтение или запись. Причем линия WR устанавливается только при наличии на шине достоверных данных.


Таким образом, анализатор временных диаграмм выступает в роли демультиплексора, который в нужное время захватывает адрес, а затем захватывает данные, которые появляются на тех же линиях.

 

Синхронизация анализатора логических состояний

Подобно анализатору временных диаграмм, анализатор логических состояний способен классифицировать данные, которые мы хотим сохранить. Если нас интересует определенное сочетание нулей и единиц на шине адреса, мы можем сказать анализатору, начать сохранение при обнаружении этого сочетания и продолжить сохранение до заполнения памяти.

 

Информацию можно отображать в шестнадцатеричной или в двоичной форме. Может оказаться полезным декодировать шестнадцатеричный код в команды ассемблера. В случае процессора шестнадцатеричные коды представляют собой его команды. Большинство производителей анализаторов разработали специальные пакеты программ, которые называются дизассемблерами или обратными ассемблерами. Назначение этих пакетов – преобразовать шестнадцатеричный код в команды ассемблера, чтобы упростить их интерпретацию.

 


Рисунок 5. Преобразование шестнадцатеричного кода в команды ассемблера

 

Что такое уровни последовательности

Анализаторы состояния имеют "уровни последовательности", которые облегчают синхронизацию и сохранение. Уровни последовательности позволяют более точно классифицировать сохраняемые данные, нежели отдельные точки синхронизации. Это значит, что вы можете точно установить окно регистрации данных, не сохраняя информацию, которая вам не нужна. Обычно уровни последовательности выглядят примерно так:

 

1 find xxxx
else on xxxx go to level x 2 then find xxxx
else on xxxx go to level x 3 trigger on xxxx

 

Селективное сохранение экономит память и время

Под селективным сохранением подразумевается сохранение некоторой части большого целого. Например, предположим, что у нас есть процедура на ассемблере, которая возводит в квадрат заданное число. Если эта процедура выполняет возведение в квадрат с ошибкой, мы может заставить анализатор логических состояний захватить эту процедуру. Для этого мы сначала говорим анализатору, найти начало процедуры. Когда он найдет начальный адрес, мы говорим ему, искать конечный адрес, одновременно сохраняя все промежуточные данные. При обнаружении конца процедуры, мы говорим анализатору, остановить сохранение.

 

Как подключить исследуемую систему

До сих пор мы обсуждали некоторые различия между осциллографами и анализаторами временных диаграмм и логических состояний. Но перед тем как мы сможем воспользоваться этими новыми приборами, нужно обсудить еще один вопрос – систему пробников.

 

Конструкция пробника логического анализатора позволяет подключать большое число каналов к исследуемой системе за счет некоторой потери точности по амплитуде. По традиции, логические анализаторы используют активные пробники со встроенными детекторами, рассчитанные на подключение восьми каналов и обладающие общей емкостью 16 пФ на канал.

 

Подключение пробников

Физическое подключение к цифровым системам должно быть надежным и удобным, чтобы точно передавать данные в логический анализатор с минимальным влиянием на исследуемую систему.

 

Типичным решением является пассивный пробник с шестнадцатью каналами на один кабель. Каждый кабель терминируется с обоих концов нагрузкой с сопротивлением 100 кОм и емкостью 8 пФ. Попробуйте сравнить электрические параметры пассивного пробника с пробником осциллографа. Кроме небольших размеров и высокой надежности, преимущество пассивной системы пробников заключаются в том, что можно терминировать пробник непосредственно в точке подключения его к исследуемой системе. Это позволяет исключить дополнительную паразитную емкость, связанную с проводами, соединяющими большие активные пробники с исследуемой системой. В результате тестируемая система «видит» емкость всего 8 пФ вместо 16 пФ, как в прежних системах снятия сигнала.

 

Пробники логического анализатора и другие принадлежности

Подключение анализатора логических состояний к микропроцессорной системе требует некоторых усилий, касающихся обеспечения механического подключения и выбора тактовых сигналов. Не забывайте, что нам надо тактировать анализатор логических состояний в моменты появления на шине достоверного адреса или данных. С некоторыми микропроцессорами может потребоваться применение внешних цепей для декодирования нескольких сигналов, чтобы получить сигнал тактовой частоты для анализатора. Пробник логического анализатора обеспечивает не только быстрое и надежное механическое соединение к исследуемой системе, но и все необходимые электрические адаптеры, такие как схемы тактирования и демультиплексирования.

 

Рисунок 6. Пробник логического анализатора

Заключение

В этой статье рассказывается, что такое логический анализатор и какие функции он выполняет. Поскольку большинство анализаторов состоит из двух основных частей, анализатора временных диаграмм и анализатора логических состояний, мы рассмотрели их отдельно. Но вместе они образуют мощный инструмент для разработчика цифровых схем.

 

Анализатор временных диаграмм больше подходит для схем и приложений с использованием шины, где приходится иметь дело с несколькими линиями. Также он может синхронизироваться по комбинации логических состояний линий или по выбросам.

 

Анализатор логических состояний чаще рассматривается, как программное средство. На самом деле он находит широкое применение и в аппаратной сфере. Поскольку он получает тактовую частоту из исследуемой системы, его можно использовать для захвата данных в тот момент, когда их видит система – по тактовой частоте самой системы.

 

Теперь, вооружившись фундаментальными знаниями, вы сможете уверенно пользоваться логическим анализатором для отладки своих схем.

На Европейской конференции по оптическим телекоммуникациям (ECOC 2017), которая прошла 18–20 сентября в Гётеборге, Швеция, компания Keysight Technologies продемонстрировала новейшие контрольно-измерительные решения для тестирования оптических линий связи, сетей, облачных технологий и информационной инфраструктуры. Эти решения призваны способствовать дальнейшему развитию центров обработки данных (ЦОД).

 

Решения компании Keysight обеспечивают дальнейшее развитие технологий, применяемых внутри и за пределами ЦОДов – от моделирования до реализации продукта и от отдельных компонентов до готовых систем. Компания Keysight продемонстрировала решения, направленные на решение наиболее актуальных технических проблем, таких как повышение пропускной способности и увеличение ёмкости сетей при минимальных затратах в ЦОДах нового поколения. В числе представленных Keysight решений:

  • Система для тестирования интерфейса QSFP-DD линий связи 400G от Ixia Solutions Group (принадлежащей Keysight). Компания Keysight завершила приобретение Ixia в апреле 2017 года и разместила экспозицию Ixia на конференции ECOC в своём павильоне. Контрольно-измерительная система QSFP-DD 400GE компании Ixia использует метод упреждающей коррекции ошибок IEEE 802.3bs KP4 и сокращает сроки проектирования и тестирования для производителей сетевого оборудования, способствуя скорейшему продвижению изделий на рынок.
  • Высокопроизводительный тестер коэффициента битовых ошибок (BERT) M8040A, работающий на скоростях до 64 Гбод, упрощает измерение параметров приёмников 400G и поддерживает сигналы с кодированием NRZ и PAM-4 на скоростях до 64 Гбод. Тестер M8040A является новейшим представителем семейства модульных решений M8000 для измерения коэффициента битовых ошибок, и содержит встроенный регулируемый корректор АЧХ и средства истинного анализа ошибок PAM-4.
  • Быстродействующее автоматизированное решение для тестирования оптических трансиверов 400GE на соответствие стандарту, поддерживающее спецификации IEEE 802.3bs, которые требуют подачи прецизионного оптического испытательного сигнала, и обеспечивающее автоматическую калибровку. Данное решение было продемонстрировано на конференции ECOC впервые.
  • Симулятор PAM-4 для анализа взаимного влияния параметров высокоскоростных цифровых каналов с помощью Симулятора каналов ADS. Это решение позволяет сравнивать между собой методы кодирования PAM-4 и NRZ, внося такие искажения, как джиттер, шум, потери в канале и межсимвольные помехи для имитации предполагаемого влияния на высокоскоростные цифровые каналы связи.
  • Модульное решение M8290A в формате AXIe для тестирования компонентов когерентных оптических  сетей 400G, построенное на базе модуля анализатора оптической модуляции M8292A и модуля широкополосного четырехканального дигитайзера M8296A. Эту компактную и гибкую контрольно-измерительную систему (с дополнительным программным обеспечением) можно использовать для измерения параметров интегральных когерентных приёмников (ICR) и аналоговых когерентных оптических модулей (ACO). На конференции ECOC состоялась всемирная премьера системы M8290A.

 

Компания Keysight проводила в своём павильоне семинары по различным темам, таким как последние тенденции на рынке и технические инновации в области оптической связи. Лекции читали специалисты Keysight, Ixia и представители ВУЗов и предприятий, являющихся партнёрами Keysight по многим проектам.

Фотографии можно сгрузить по ссылке.

Как было сказано в предыдущей статье по теме, наиболее гибкое детектирование обеспечивают гетеродинные приемники, работающие во временной области, которые можно применять к испытательным и реальным сигналам, и которые работают независимо от вида модуляции. На рис. 1 такой IQ-детектор показан слева. Кроме того, здесь видно, что перед идентификацией и дальнейшей обработкой сгруппированные в символы входные биты должны пройти несколько этапов преобразования. Показанная здесь архитектура приёмника рекомендована Optical Internetworking Forum (OIF) и позволяет извлекать всю содержащуюся в сигнале информацию. Давайте рассмотрим эту архитектуру подробней.

 

Рис. 1. Архитектура приёмника, рекомендованная OIF для реализации интегрированных интрадинных когерентных приёмников

 

Уменьшение искажений

После аналого-цифрового преобразования любой когерентный оптический приёмник выполняет цифровую обработку сигнала. Применение цифровой обработки сигнала вносит существенные положительные отличия по сравнению с обычной амплитудной манипуляцией (on-off keying), где нужно учитывать хроматическую дисперсию (CD), поляризационную модовую дисперсию (PMD) и другие искажения. Цифровая обработка сигнала поддерживает алгоритмическую компенсацию CD, PMD и других искажений, поскольку когерентное детектирование предоставляет полную информацию об оптическом сигнале. Это значит, что комплексная оптическая модуляция избавляет нас от необходимости применения компенсаторов PMD или оптоволокна с компенсированием дисперсии, а также предотвращает рост задержки, порождаемой этими компонентами.

 

Предварительная коррекция устраняет искажения приёмника. К этим искажениям можно отнести разбаланс четырёх электрических каналов, погрешность фазового угла IQ в IQ-смесителе, временной сдвиг между четырьмя каналами АЦП и дифференциальный разбаланс номинально сбалансированного приёмника. Для устранения этих искажений, во время калибровки прибора выполняется измерение параметров компонента во всем диапазоне длин волн.

 

Помимо искажений, вносимых приёмником, цифровая обработка сигнала компенсирует искажения, возникающие в оптическом тракте между приёмником и передатчиком. К этим искажениям относятся CD и PMD, зависящие от поляризации потери (PDL), вращение поляризации или трансформация состояния поляризации (PST) и фазовый шум.

 

Для оценки влияния фазового шума нужно отследить изменение шума несущей во времени. Однако этот этап в схеме когерентного приёмника не обязателен.

 

Восстановление фазы несущей

Добавив гетеродин, мы получаем возможность отслеживать изменения фазы сигнала по отношению к фазе гетеродинного сигнала. Но тот факт, что частота гетеродина приёмника отличается от частоты сигнала, приводит к линейному сдвигу фазы во времени. Это легко понять, если вспомнить, что в гетеродинном приёмнике ток IPhoto пропорционален cos(Δф + Δωt). На рис. 2 показано это «вращающееся» созвездие на примере модуляции QPSK.

 

Рис. 2. Разность частот передающего лазера и гетеродина порождает «вращающееся» сигнальное созвездие

 

Для устранения неопределённости фаза не должна изменяться быстрее, чем на pi/4 за длительность одного символа, что равно половине разности фаз между двумя соседними символами. Это, в свою очередь, означает, что сдвиг частоты между гетеродином и сигналом должен быть для QPSK меньше 1/8 тактовой частоты символов.

 

Чтобы отследить фазу, нужно делать выборки сигнала в моменты времени с предсказуемыми значениями фазы, например, в моменты появления символов. Для сигналов с ограниченной полосой частота дискретизации фазы меньше символьной скорости. Красная линия на рис. 3 показывает, что фаза может быть восстановлена неточно.

 

Рис. 3. В реальной системе связи часто не удаётся восстановить фазу из-за слишком низкой частоты дискретизации, фазового шума и смещения

 

Для восстановления фазы в такой ситуации фазовый шум и смещение несущей должны удовлетворять жестким требованиям. В реальной системе связи это условие обычно не соблюдается, поскольку в реальных линейных картах, использующих дискретизацию в масштабе реального времени, столь жёсткие характеристики не требуются.

 

На рис. 4 показано влияние полосы несущей на восстановление фазы лазера с распредёленной обратной связью (РОС). Слева приведён пример широкой полосы обзора. Точки сигнального созвездия IQ искусственно заужены, поскольку в этом случае отслеживание фазы уменьшает угловую ширину символов. В меньшей полосе мы получаем более реалистичные круглые символы. В ещё меньшей полосе мы достигаем предела на фазовой диаграмме несущей, где фазу отслеживать больше не удаётся. Угловое распределение символов явно подвержено влиянию фазового шума, который нельзя подавить.

 

Рис. 4. Примеры отслеживания фазы несущей лазера с распредёленной обратной связью в зависимости от полосы слежения

 

Вычисление матрицы Джонса

Поскольку цифровому демодулятору нужны два независимых модулирующих сигнала (для плоскостей поляризации x и y), важным этапом цифровой обработки сигнала является демультиплексирование поляризации. На этом этапе мы компенсируем PMD и PDL и учитываем, что состояние поляризации в одномодовом оптоволокне в процессе распространения не сохраняется.

 

Направление поляризации меняется по мере прохождения сигнала по оптоволокну (см. рис. 5), поэтому состояние поляризации сложно связано с ориентацией приёмника. Вот почему разделитель поляризации в приёмнике не позволяет получить два независимых сигнала, давая вместо этого линейную комбинацию двух составляющих поляризации. Волокно, сохраняющее поляризацию, конечно, сохраняет состояние поляризации, но не используется для передачи данных из-за сильного затухания и высокой стоимости.

 

Рис. 5. Одномодовое оптоволокно меняет состояние поляризации передаваемого сигнала, поэтому разделитель поляризации на стороне приёмника не даёт два независимых сигнала, а создаёт вместо этого их линейную комбинацию. Здесь показаны сигнальные созвездия QPSK с двойной поляризацией после демультиплексирования поляризации.

 

Все искажения полностью поляризованного света в оптоволоконном канале можно математически описать так называемой матрицей Джонса. Передаваемый сигнал S перемножается с матрицей Джонса, давая в результате принимаемый сигнал R. Для идеального канала без поляризационных искажений матрица Джонса представляет собой единичную матрицу. В этом случае принимаемый сигнал совпадает с излучаемым сигналом (см. рис. 6). В общем виде матрица Джонса представляет собой комплексную матрицу 2×2 соответственно с восемью (для реальной и мнимой части) независимыми параметрами.

 

Поэтому для восстановления исходного сигнала по измеренному принимаемому сигналу нужно найти матрицу Джонса. Это сделать довольно трудно, потому что обычно мы имеем очень мало информации о численных значениях искажений, воздействующих на сигнал в канале, или не имеем такой информации вообще.

 

Рис. 6. Матрица Джонса идеального канала

 

Поэтому для аппроксимации исходного сигнала часто используются так называемые слепые алгоритмы. Эти алгоритмы представляют собой методы оценки, не требующие знания исходного сигнала (кроме вида модуляции). В этом случае обратная матрица Джонса представляется применёнными к принимаемому сигналу корректирующими фильтрами (см. рис. 7). Каждый элементарный фильтр моделирует некоторый эффект искажения сигнала. Алгоритм итерационно подбирает переменные фильтров (a, β, k...), добиваясь схождения, то есть того, чтобы измеренная карта символов имела минимальные расхождения с символами, рассчитанными алгоритмом.

 

Недостаток этого метода в том, что он может дважды восстановить один и тот же канал поляризации. Эта проблема известна как сингулярность алгоритма. Кроме того, этот метод очень сложен, поскольку для расчёта следующего шага итерации каждый символ должен обрабатываться индивидуально.

 

Рис. 7. Модель корректирующих фильтров для компенсации хроматической дисперсии (CD), дифференциальной групповой задержки (DGD), зависящих от поляризации потерь (PDL) и трансформации состояния поляризации (PST)

 

Проще - в координатном пространстве Стокса

Оценку проще выполнить с помощью параметров Стокса, где демультиплексирование поляризации является истинно слепой процедурой, поскольку не требуется ни демодуляция, ни знание используемого вида модуляции или частоты несущей. Кроме того, в пространстве Стокса мы не сталкиваемся с проблемой сингулярности.

 

Пространство Стокса помогает визуализировать состояния поляризации оптических сигналов и, следовательно, отлично подходит для наблюдения изменения поляризации вдоль оптического канала. Любое состояние поляризации полностью поляризованного света можно описать точкой в этом трёхмерном пространстве, которая лежит на поверхности сферы – так называемой сферы Пуанкаре, центр которой расположен в начале координат. Радиус сферы соответствует амплитуде светового сигнала. Круговая поляризация располагается вдоль оси S3. Вдоль экватора в плоскости, образованной осями S1 и S2, располагается состояние линейной поляризации, а промежуточные положения соответствуют эллиптической поляризации. На рис. 8 зелёным цветом показано расположение на сфере разных состояний поляризации.

 

Также на рис. 8 показан измеренный сигнал QPSK, поляризованный по плоскостям x и y. В точках выборки возможны четыре состояния разности фаз между двумя сигналами. Комбинация этих сигналов x и y с этими разностями фаз даёт измеренные «облака» синих точек в пространстве Стокса. (Используя сигнал QPSK с одним направлением поляризации, мы получим одно скопление на оси S1).

 

Рис. 8. Сфера Пуанкаре в пространстве Стокса для сигнала QPSK с поляризационным разделением (PDM)

 

Переходы между четырьмя состояниями определяют в пространстве Стокса объект, напоминающий линзу (см. рис. 9). Можно доказать, что сигналы с мультиплексированной поляризацией любого формата всегда определяют такие линзы.

 

Рис. 9. Межсимвольные переходы сигнала PDM QPSK: в левой полусфере расположены переходы сигнала с поляризацией по оси x (H, горизонтальная), а в правой полусфере – переходы сигнала с поляризацией по оси y (V, вертикальная)

 

Когда мы сталкиваемся с трансформацией состояния поляризации вдоль оптического тракта одномодового волокна, линзы в пространстве Стокса поворачиваются (см. рис. 10). По этому повороту можно получить матрицу Джонса, которая представляется нормалью линзоподобного объекта.

 

Рис. 10. Трансформация состояния поляризации приводит к повороту линз в пространстве Стокса. Нормаль к линзе определяет матрицу Джонса – здесь приведён пример сигнала PDM QPSK.

 

 А как представлены в пространстве Стокса другие искажения? В случае PDL линзы деформируются и смещаются. Тем не менее, это не вызывает проблем с восстановлением матрицы Джонса. Деформация позволяет количественно оценить PDL. CD не зависит от поляризации и не препятствует её демультиплексированию. В этом случае количественные характеристики можно получить по сигнальному созвездию.

 

Определение символов

После успешной цифровой обработки сигнала и демультиплексирования поляризации мы можем, наконец, определить принимаемые символы. В QPSK критерием принятия решения являются значения I и Q в измеренной точке сигнального созвездия (см. рис. 11), например, все точки с положительными значениями I и Q можно интерпретировать, как “11”. В более сложных форматах использовать I и Q в качестве критерия принятия решения нельзя. В этом случае точки привязываются к ближайшему символу. По размытым «облакам» в правой части рис. 11 можно сказать, что даже когерентное детектирование не избавляет нас от битовых ошибок. Как же выполнить количественную оценку? Этот вопрос будет обсуждаться в следующей статье данной серии, посвящённой когерентным оптическим сигналам.

 

Рис. 11. В QPSK критерий принятия решения основывается на значениях I и Q, а в более сложных форматах - на расстоянии до ближайшего соседнего символа

 

Литература

Рис. 1 взят из статьи «Соглашение OIF о реализации интегрированных интрадинных когерентных приёмников с двойной поляризацией», IAOIF-DPC-RX-01.2, 14 ноября, 2013 г.

Рис. 7 взят из статьи Дж.К. Геера, Ф.Н. Хауске, К.Р.С. Флуджера, Т. Дутела, К. Шульена, М. Кушнерова, К. Пьяванно, Д. Ван-дер-Борна, Е.-Д. Шмидта, Б. Спинлера, Х. де Ваардта, Б. Ланкла и Б. Шмаусса “Оценка параметров канала для когерентных приёмников с разной поляризацией”, IEEE Photonics Technology Letters, том 20, № 10, 15 мая, 2008 г. Все другие рисунки предоставили Тодд Маршалл, Стефани Мичел, Бернд Небендал и Богдан Шанфранек.

Требования к широкополосным ВЧ-измерениям постоянно меняются, и вместе с ними меняются приборы, необходимые для исследования сигналов. Современным радиолокационным системам требуется более высокое разрешение для отслеживания цели, системам связи нужна большая пропускная способность – а для удовлетворения этих требований вам нужны более широкополосные схемы модуляции соответствующих сигналов, чтобы проверять прототипы устройств и промышленные образцы.

 

Давно прошли те дни, когда мгновенной полосы анализа 510 МГц, которая долго была стандартом в анализаторах сигналов и спектра, вполне хватало для измерения параметров модуляции. Некоторые системы перешагнули ширину полосы модуляции 1 ГГц и даже 2 ГГц. Поэтому для выполнения качественных, достоверных широкополосных ВЧ-измерений нужен иной подход.

 

Насколько же отличается этот подход? Он требует применения широкополосных цифровых осциллографов реального времени. Дигитайзеры и осциллографы предлагают достаточно широкую рабочую полосу и частоту дискретизации для прямой оцифровки модулированной несущей, либо непосредственно, либо в совокупности с понижающим преобразователем частоты перед осциллографом.

 

Важно только знать, что и как использовать. Один из способов оценки вариантов выполнения широкополосных измерений заключается в построении диаграммы возможностей. Отложим по вертикальной оси полосу анализа, а по горизонтальной оси – частоту несущей, которую можно измерять. Не утруждайте себя построением этой диаграммы – мы уже об этом позаботились:

Рисунок 1. Частота несущей и полоса анализа для различных приборов (на основе портфолио Keysight Technologies)

 

Как видите, классический анализатор сигналов имеет собственную полосу анализа до 1 ГГц и может работать с частотой несущей до 110 ГГц (с недавних пор). В отличие от этого, осциллографы средней ценовой категории обладают полосой пропускания до 8 ГГц, что позволяет измерять сигналы с частотой несущей до 8 ГГц и с очень широкой полосой модуляции, близкой к 8 ГГц. Пока суммарный спектр несущей и модуляции не выходит за пределы полосы пропускания осциллографа, вы можете выполнять достоверные измерения.

 

Но и этого может быть недостаточно. В широкополосных аэрокосмических/оборонных приложениях, включая РЭБ, РЛС и радиоразведку, исследуемые сигналы могут иметь частоту несущей выше 8 ГГц. Здесь можно вспомнить о высокопроизводительных осциллографах, которые имеют более широкую полосу пропускания – до 33 ГГц или 63 ГГц – и, разумеется, стоят существенно дороже. Зато они предлагают впечатляющие значения таких параметров, как равномерность АЧХ и уровень шумов. В качестве альтернативного решения можно включить перед осциллографом средней ценовой категории понижающий преобразователь частоты. При этом вы платите меньше, но можете работать с высокочастотными сигналами с широкополосной модуляцией, однако при условии, что вы согласны до некоторой степени пожертвовать линейностью фазы и амплитуды.

 

Во-первых, в качестве понижающего преобразователя частоты можно включить перед осциллографом средней ценовой категории стандартный анализатор сигналов и снимать сигнал с выхода ПЧ тракта этого анализатора. Как правило, в этом случае понадобится калибровка, чтобы выровнять общую амплитудно-частотную и фазо-частотную характеристики системы. Как правило, решения подобного рода могут работать в диапазоне частот до 50 ГГц.

 

Во-вторых, в качестве понижающего преобразователя частоты можно включить перед осциллографом средней ценовой категории недорогой гармонический смеситель. Это решение будет узкополосным: можно будет анализировать очень высокие несущие частоты, но, как правило, существует некоторый узкий диапазон несущих частот, с которыми может работать данный смеситель. Поэтому этот вариант наиболее удобен для таких приложений, как 5G, WiGig и автомобильные радары.

 

Типовые ВЧ-характеристики широкополосных осциллографов реального времени

Итак, что же нужно знать, прежде чем делать БПФ или широкополосные ВЧ измерения с помощью осциллографа или осциллографа в сочетании с программным обеспечением векторного анализа сигналов (VSA)? Нужно знать, что ВЧ характеристики осциллографа могут оказывать сильное влияние на результаты измерений, поэтому, в первую очередь, надо оценить такое влияние.


Сегодня можно найти осциллографы, оснащенные встроенной схемой коррекции амплитуды и фазы, который обеспечивает превосходную абсолютную точность амплитуды и малое отклонение от линейной фазы во всём частотном диапазоне. Это позволяет выполнять высококачественные ВЧ-измерения. Кроме того, такие осциллографы предлагают превосходные значения плотности шума (около -160 дБм/Гц) и широкий динамический диапазон и отношение сигнал/шум с учётом предлагаемой ими широкой полосы пропускания.

 

Что это даёт? Вы можете исследовать широкополосные сигналы очень малой амплитуды на фоне сильных сигналов. Вы можете поднимать чувствительность осциллографа для измерения сигналов малой амплитуды. Кроме того, схема развёртки таких осциллографов обладает низким значением фазового шума при малой отстройке от несущей, что соответствует низкому джиттеру для трасс большой длительности. Если вам нужна более подробная информация, ознакомьтесь с ВЧ-характеристиками высокопроизводительного осциллографа с полосой пропускания 33 ГГц, приведёнными в таблице 1.

 

Таблица 1. Типовые ВЧ характеристики широкополосного осциллографа

Типовые значения для осциллографов серии V (полоса пропускания 33 ГГц, 1 канал в одном осциллографе, если не указано иное)

Чувствительность/плотность шума (1 мВ/дел; диапазон –38 дБм)

Измерение спектральной плотности мощности на 1,0001 ГГц, центральная частота 1,0001 ГГц, полоса обзора 500 кГц, полоса разрешения 3 кГц

-159 дБм/Гц

Коэффициент шума (для описанного выше измерения)

+15 дБ

Отношение сигнал/шум / динамический диапазон

(-1 дБм, частота несущей 1 ГГц, входной диапазон осциллографа 0 дБм) центральная частота 1 ГГц, полоса обзора 100 МГц, полоса разрешения 1 кГц, измерение при отстройке +20 МГц от центральной частоты

+111 дБ

Абсолютная погрешность амплитуды (от 0 до 30 ГГц)

±0,5 дБ

Нелинейность фазы (от 0 до 33 ГГц)

±3 градуса

Фазовый шум (на 1 ГГц)

                отстройка 10 кГц

                отстройка 100 кГц

 

-125 дБн/Гц

-131 дБн/Гц

Амплитуда вектора ошибки (EVM)

(802.121, несущая 2,4 ГГц, полоса 20 МГц, 64QAM)

-47 дБ (0,47%)

Паразитные составляющие (входной сигнал –4,6 дБм, входной диапазон –4 дБм)

Динамический диапазон, свободный от паразитных составляющих (SFDR)

Входной сигнал 1 ГГцуровень входного сигнала -4,6 дБм, полоса обзора 5 ГГц, центральная частота 3 ГГц, полоса разрешения 100 кГц

 

+67 дБ

Уровень 2ой гармоники

Входной сигнал 1 ГГц, -4,6 дБм, полоса обзора 5 ГГц, центральная частота 3 ГГц, полоса разрешения 100 кГц

-51 дБн

Уровень 3ей гармоники

Входной сигнал 1 ГГц, -4,6 дБм, полоса обзора 5 ГГц, центральная частота 3 ГГц, полоса разрешения 100 кГц

-51 дБн

Точка пересечения по интермодуляционным составляющим 3-го порядка для двухтонального сигнала

Входные тональные сигналы –6,6 дБм, 2,435 ГГц и 2,439 ГГц, разнесение 2 МГц, центральная частота 2,437 ГГц, полоса обзора 10 МГц, полоса разрешения 100 кГц, диапазон 8 дБм

+28 дБ

Согласование по входу (S11)

(<50 мВ/дел, 0-30 ГГц, без аттенюатора)

(>=50 мВ/дел, 0-30 ГГц, без аттенюатора)

 

-15 дБ; КСВ 1,4

-21 дБ; КСВ 1,2

 

Широкополосные импульсные ВЧ-измерения во временной области – огибающая, частота и ЛЧМ

Теперь, когда мы знаем возможности нашего широкополосного осциллографа, давайте посмотрим, как он без посторонней помощи выполняет измерения во временной области и анализ широкополосных импульсных ВЧ-сигналов. Выбор конкретного осциллографа зависит от максимального суммарного значения частоты несущей и полосы модуляции. Давайте рассмотрим пример, в котором исследуемый сигнал содержит импульсы длительностью 1 мкс с интервалом повторения 100 мкс. Сигнал представляет собой импульсы с ЛЧМ с полосой модуляции 2 ГГц и несущей частотой 15 ГГц.


Пример нескольких измерений одного ВЧ-импульса, включая параметры огибающей и ЛЧМ, приведён на рисунке 2. Стабильный запуск по этому импульсу обеспечивается путём установки удержания запуска на значение чуть больше длительности импульса – 1 мкс.

 

Рисунок 2. Измерение во временной области с помощью осциллографа с полосой пропускания 33 ГГц импульса со следующими параметрами: длительность 1 мкс, несущая 15 ГГц, ЛЧМ с полосой модуляции 2 ГГц

Для измерения амплитуды использовалась математическая функция “Envelope” (Огибающая), после чего импульсные измерения выполнялись по видимой огибающей ВЧ импульса. Измерение частоты выполнялось по ВЧ импульсу (а не по огибающей), а в качестве источника математической функции “Measurement Trend” (Тренд результатов измерения) использовалось измерение частоты. Затем к тренду результатов измерения применялась математическая функция сглаживания, что дало линейное нарастание частоты модуляции, как показано на рисунке 2. Линейность амплитуды осциллографа в интересующей нас полосе обзора непосредственно влияет на качество измерения огибающей. Чтобы увидеть это влияние, взгляните на график зависимости амплитуды от частоты для осциллографа с полосой пропускания 33 ГГц, показанный на рисунке 3.

 

Рисунок 3. Типовая зависимость амплитуды от частоты для четырёх отдельных каналов с полосой пропускания 33 ГГц

Стробируемые измерения спектра широкополосных ВЧ-импульсов с использованием БПФ

Широкополосные измерения с использованием БПФ можно выполнить, выбрав математическую функцию “FFT Magnitude” (Амплитуда БПФ) с прямоугольной (“Rectangular”) весовой функцией. После этого можно выполнить стробируемые измерения БПФ за счёт применения математической функции “Timing Gate” (Стробирование по времени). После настройки функции стробирования по времени, можно настроить математическую функцию БПФ, которая рассчитывается по записи в пределах временного окна, как показано на рисунке 4.

 

Рисунок 4. Обычные и стробируемые измерения БПФ во временном окне в начале ВЧ-импульса

Широкополосные измерения ВЧ-импульсов во временной и частотной областях с помощью осциллографа и ПО векторного анализа

Но это ещё не всё. ВЧ- и БПФ-измерения с помощью широкополосного осциллографа можно дополнительно расширить, импортировав захваченные осциллографом сигналы в программное обеспечение векторного анализа сигналов. Некоторые преимущества такого подхода включают:

  • широкий выбор встроенных ВЧ-измерений;
  • возможность применения входного полосового фильтра осциллографа для оцифровки и прореживания сигнала перед расчётом БПФ, что снижает шум и повышает скорость расчётов;
  • множество опциональных цифровых и аналоговых демодуляторов, таких как 16QAM и ЧМ;
  • представление импульса во временной области с пониженным уровнем шумов за счёт цифровой обработки;
  • коррекция частоты и фазы в пределах импульса при прохождении через демодулятор.


Если захваченные осциллографом данные импортированы в ПО векторного анализа сигналов, их можно преобразовать в цифровом виде в модулирующие сигналы I и Q, пропустить через полосовой фильтр и затем повторно дискретизировать. Эта процедура может существенно снизить шум измерения. В сущности, процесс заключается в “настройке” на центральную частоту сигнала и в “растяжке” сигнала для анализа модуляции. Это часто называется “цифровым расширением”.


В этом примере исходная измеряемая полоса 8 ГГц с соответствующим уровнем шумов была сокращена до 500 МГц с центром на частоте 3,7 ГГц и мгновенной полосой измерения немного шире полосы модуляции сигнала. Это соответствует улучшению отношения сигнал/шум (С/Ш) на:

 

10log*(Полоса пропускания осциллографа/Полоса обзора) = 10log*(8E+09/500E+6) = 12 дБ.

 

Благодаря цифровому расширению в сочетании со способностью ПО векторного анализа сигналов представлять амплитуду в логарифмическом масштабе и применению усреднения, мы смогли увидеть импульс с уровнем на 50 дБ меньше, как показано на рисунке 5. При измерении в полосе 8 ГГц этот импульс не был виден.

 

Рисунок 5. ПО векторного анализа сигналов с установленной “Центральной частотой” и “Полосой обзора” показывает импульс с уровнем на 50 дБ ниже

Секрет захвата длинных последовательностей и статистического анализа импульсов

Если осциллограф применяется для регистрации широкополосных ВЧ-сигналов, то для точного захвата несущей и модулирующего сигнала он должен обладать достаточно высокой частотой дискретизации. Это значит, что при высокой частоте дискретизации потребуется очень большой объём памяти осциллографа, чтобы захватить продолжительный интервал сигнала.


Но эту проблему можно решить, воспользовавшись сегментированной памятью осциллографа. Сегментированная память может существенно увеличить время регистрации сигналов с большой скважностью, таких как импульсные ВЧ-сигналы РЛС. В этом режиме память осциллографа делится на небольшие фрагменты, соответствующие фиксированным интервалам времени, которые немного шире самого широкого ВЧ-импульса. Осциллограф запускается по событию, например, по началу ВЧ-импульса, после чего заносит этот ВЧ-импульс в сегмент памяти. Затем осциллограф прекращает захват, взводит систему запуска и ждёт следующего ВЧ-импульса. Второй ВЧ-импульс помещается во второй сегмент памяти. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не заполнятся все сегменты памяти осциллографа.


Современное ПО анализа импульсов позволяет воспользоваться преимуществами сегментированной памяти осциллографа и выполнить множество встроенных измерений импульсных ВЧ-сигналов. Захват нескольких ВЧ-импульсов с помощью сегментированной памяти осциллографа в сочетании с измерительными функциями ПО анализа импульсов показан на рисунке 6. Здесь выполняется измерение импульса ЛЧМ частотой 1 ГГц и сдвиг фазы вдоль импульса, которые сравниваются с идеальным линейным нарастанием и идеальной параболой соответственно. В увеличенном масштабе показана разность между измеренным и опорным сигналами для частоты на кривой S и фазы на кривой J.

 

Рисунок 6. Расчёты ПО анализа импульсов основаны на измерениях, выполненных осциллографом с сегментированной памятью

Заключение

Ограничение полосы пропускания анализаторов сигналов и спектра вынуждает разработчиков применять дигитайзеры и осциллографы с понижающими преобразователями частоты или без таковых. Очень полезны для анализа функционирования и диагностики неисправностей целевой системы такие математические функции, как "Огибающая", "Тренд результатов измерения" и БПФ. Объединение осциллографа с ПО векторного анализа сигналов позволяет создать мощный измерительный инструмент для выполнения разнообразных измерений, включая демодуляцию, представление во временной области с пониженным отношением сигнал/шум и статистический анализ ВЧ импульсов. И хотя существует некоторый компромисс между динамическим диапазоном/шумом и доступной мгновенной полосой пропускания, это не мешает выполнять многие важные широкополосные измерения для оценки прототипов или серийно выпускаемых изделий.

Сейчас осциллографы реального времени часто обозначают DSO или MSO (цифровые запоминающие осциллографы или осциллографы смешанного сигнала). Большинство продаваемых сегодня осциллографов являются осциллографами реального времени. Полоса пропускания осциллографов реального времени составляет от нескольких МГц до десятков ГГц при стоимости прибора от нескольких сотен до нескольких сотен тысяч долларов. Стробоскопические осциллографы, как правило, имеют обозначение DCA (цифровые коммуникационные анализаторы). Их полоса пропускания обычно превышает десятки ГГц, и применяются они в первую очередь для анализа высокоскоростных последовательных шин, оптических устройств и сигналов тактовой частоты. Тем не менее, с ростом полосы используемых сигналов, сферы применения стробоскопических осциллографов и осциллографов реального времени начали пересекаться.

 

Тракт дискретизации в обоих типах осциллографов практически одинаков. Входной сигнал проходит через цепь предварительной обработки входного интерфейса, дискретизируется, сохраняется в памяти, а затем отображается на экране. Тем не менее, используемые в них технологии в корне отличаются.

 

Осциллографы реального времени

Как работает осциллограф реального времени? Осциллограф реального времени содержит специализированную ИС управления запуском, которая позволяет указать интересующие события, такие как пороговый уровень перепада напряжения, нарушение условий установки и удержания или появление определенной кодовой последовательности. В обычном режиме регистрации, когда система запуска обнаруживает указанное событие, осциллограф захватывает и сохраняет непрерывную последовательность выборок сигнала до и после события запуска и выводит на экран захваченные данные. Осциллографы реального времени могут работать в режиме однократного или периодического запуска. В режиме однократного запуска осциллограф захватывает и отображает одну порцию последовательных выборок, определяемую доступным объемом памяти и выбранной частотой дискретизации. После однократного захвата осциллограммы пользователь может просматривать ее в режиме прокрутки и растягивать любой фрагмент с интересующим его событием. В непрерывном режиме осциллограф периодически захватывает и отображает сигнал при каждом появлении заданных условий запуска. Переменное или бесконечное послесвечение позволяет накладывать последовательные захваты сигнала друг на друга. Периодический режим используется чаще, поскольку он дает живое представление об исследуемом сигнале. Измерения таких параметров, как длительность фронта или импульса, математический анализ или быстрое преобразование Фурье (БПФ) могут выполняться и в однократном режиме, и в течение некоторого времени в периодическом режиме. Большинство осциллографов реального времени с полосой пропускания до 6 ГГц имеет два входа – 1 МОм и 50 Ом, к которым подключаются различные пробники и кабели.

 

Осциллографы реального времени характеризуются тремя ключевыми параметрами – полосой пропускания, частотой дискретизации и глубиной памяти. Конечно, существуют и другие важные параметры, которые надо учитывать при выборе осциллографа реального времени.

 

Осциллограф с большой глубиной памяти имеет три явных преимущества:

  1. Большая глубина памяти позволяет захватывать сигнал в большем временном окне при той же частоте дискретизации. Глубина памяти определяет, сколько выборок можно сохранить за один захват и, следовательно, определяет длительность захвата. Чем больше выборок можно сохранить за один захват, тем больше вероятность обнаружения редко происходящих событий.
  2. Большая глубина памяти позволяет использовать большую частоту дискретизации при меньших скоростях развертки, что повышает точность измерения. Например, при глубине памяти 10 млн. выборок, частоте дискретизации 10 Гвыб/с и скорости развертки 1 мкс/дел будет отображаться 1 млрд. точек данных (это абсолютный предел для большинства современных осциллографов). Если переключить развертку на 10 мкс/дел, осциллограф снизит частоту дискретизации в 10 раз, чтобы захватить тот же временной интервал. Однако осциллограф с глубиной памяти 100 млн. выборок сохранит ту же частоту дискретизации 10 Гвыб/с, захватывая при этом интервал длительностью 20 мкс.
  3. Большая глубина памяти повышает точность статистических измерений и математических расчетов. Исследование большого числа фронтов, быстрое преобразование Фурье и измерения джиттера выигрывают от большой глубины памяти захвата.

 

Стробоскопические осциллографы

Как работает стробоскопический осциллограф? Стробоскопические осциллографы предназначены исключительно для захвата, отображения и анализа периодически повторяющихся сигналов. Система запуска таких осциллографов тоже ориентирована на работу с периодическими сигналами. При первом появлении условий запуска стробоскопический осциллограф захватывает группу разнесенных во времени выборок. Затем осциллограф сдвигает точку запуска, захватывает следующую группу выборок и выводит их на экран вместе с первой группой. Он повторяет этот процесс, создавая осциллограмму в режиме с бесконечным послесвечением, используя данные многих последовательных захватов. Ключевым компонентом этой технологии является интерполяция запуска, которая контролирует интервалы времени между запусками для повышения точности измерений. Глубина памяти при этом не критична, поскольку используется только для захвата и обработки нескольких выборок при каждом запуске. Частота дискретизации тоже не важна. Определяющую роль играет точность задержки от первого запуска до следующего.

 

Сравнение стробоскопических осциллографов с осциллографами реального времени

Как уже говорилось, полоса пропускания современных осциллографов реального времени может превышать 60 ГГц, тогда как полоса стробоскопических осциллографов может достигать значения 90 ГГц и выше. В результате для большинства цифровых приложений полоса пропускания уже не является однозначным критерием выбора осциллографа. С другой стороны, важным параметром является цена. Полнофункциональные стробоскопические осциллографы с полосой пропускания 50 ГГц будут стоить менее 150 000 долларов, тогда как цена осциллографа реального времени с такой же полосой приближается к 400 000 долларов. Разработчик должен решить, стоит ли повышенная гибкость осциллографа реального времени таких денег.

 

Шум и отношение сигнал/шум

Существуют и более существенные различия между стробоскопическими осциллографами и осциллографами реального времени. Стробоскопический осциллограф имеет 14-разрядный АЦП и в результате обладает очень большим динамическим диапазоном, что позволяет рассматривать сигналы амплитудой от нескольких милливольт до единиц вольт без применения аттенюаторов. В результате стробоскопический осциллограф имеет очень малый уровень шума при разных значениях входной чувствительности. Динамический диапазон осциллографа реального времени ограничен 8 разрядами, но эффективное разрешение зачастую равно примерно 6 разрядам. В связи с ограниченным отношением сигнал/шум необходимо применять аттенюаторы для корректного отображения сигналов в диапазоне от нескольких милливольт до нескольких вольт. В конечном итоге это значит, что осциллографы реального времени обладают большим уровнем шумов, чем стробоскопические осциллографы. Благодаря малым шумам, стробоскопические осциллографы принято считать “золотым эталоном” измерений. Тем не менее, осциллографы реального времени постоянно улучшаются, и разрыв в качестве сигнала со стробоскопическими осциллографами постоянно сокращается.

 

Амплитудно-частотная характеристика

Еще одним параметром, который надо учитывать при выборе между осциллографом реального времени и стробоскопическим осциллографом, является их амплитудно-частотная характеристика. Обычно стробоскопический осциллограф не использует цифровую коррекцию (с применением цифрового сигнального процессора) и поэтому обладает медленно спадающей частотной характеристикой, определяемой используемым оборудованием и близкой по форме к гауссовой кривой. Осциллографы реального времени могут использовать ЦСП и тем самым корректировать амплитудно-частотную характеристику. Например, осциллографы Agilent DSOX93304Q обладают равномерной АЧХ во всей полосе пропускания, то есть их коэффициент усиления меняется не более чем на 1 дБ во всем частотном диапазоне осциллографа.

 

Частотные характеристики осциллографов реального времени могут варьироваться. Некоторые производители осциллографов предлагают до пяти частотных характеристик с разными параметрами. Непосредственное сравнение плоской и гауссовой АЧХ может показать, что результаты одного и того же измерения будут выглядеть совершенно по-разному. Например, гауссова АЧХ может повлиять на результаты измерения и добавить межсимвольные помехи. Плоская АЧХ с крутым спадом может порождать нечто вроде звона, если скорость нарастания и спада сигнала настолько высока, что не укладывается в полосу пропускания осциллографа. В любом случае нужно знать, как оборудование может влиять на результаты измерений.


Разные способы восстановления тактовой частоты

Ключевой процедурой осциллографических измерений является восстановление тактовой частоты. Восстановление тактовой частоты позволяет строить глазковую диаграмму реального времени, выполнять тестирование по маске и выделять джиттер. В сущности, восстановленная тактовая частота представляет собой опорную тактовую частоту, используемую для сравнения измерений. До недавнего времени стробоскопические осциллографы выполняли только аппаратное восстановление тактовой частоты. В результате независимо от того, использовалась ли внешняя тактовая частота или внутренняя тактовая частота 10 МГц самого стробоскопического осциллографа, система восстановления была подвержена ошибкам. Сейчас эта проблема устранена, поскольку стробоскопические осциллографы Agilent используют программную систему восстановления тактовой частоты, которая идеально справляется с этой задачей. Осциллографы реального времени почти всегда использовали программное восстановление тактовой частоты, однако они имели и дополнительную возможность использования внешней тактовой частоты. В этом случае также преимущество программного восстановления тактовой частоты заключается в том, что оно не подвержено аппаратным ошибкам, но оно сдает свои позиции, когда тактовая частота не должна зависеть от скорости передачи данных.

 

Кроме разницы между аппаратным и программным восстановлением тактовой частоты нужно учитывать и алгоритм восстановления. Обычно стробоскопические осциллографы используют передаточную функцию джиттера (JTF) (рис. 1), тогда как осциллографы реального времени используют функцию OJTF (рис.2). OJTF в большей степени подавляет низкочастотный джиттер, чем JTF. В результате вы увидите значительно меньше низкочастотных составляющих джиттера на осциллографе реального времени, чем на стробоскопическом осциллографе. Эти значения можно уравнять, просто переключив оба осциллографа на одну передаточную функцию. Это стало возможным благодаря недавним достижениям в развитии стробоскопических осциллографов, и значительно облегчает сравнение джиттера.


Когда использовать стробоскопический осциллограф, и когда осциллограф реального времени

Исторически сложилось так, что стробоскопические осциллографы на порядок превосходят осциллографы реального времени по полосе пропускания и собственному джиттеру. Однако в последнее десятилетие осциллографы реального времени существенно сократили этот разрыв, предложив пользователям, занимающимся тестированием трансиверов, выбор между осциллографами реального времени и стробоскопическими осциллографами. Стробоскопические осциллографы по-прежнему обладают меньшим джиттером и значительно более широким динамическим диапазоном, что делает их идеальными для измерения характеристик в определенных условиях. Если ваш сигнал периодически повторяется и может захватываться в реальном временном интервале, стробоскопический осциллограф даст верное представление такого сигнала.

 

Осциллографы реального времени привлекают своей гибкостью. Если пользователь занят отладкой и хочет настроить запуск по трудно обнаруживаемым событиям, ему идеально подойдет осциллограф реального времени. Пользователям осциллографов реального времени доступно множество приложений для тестирования на соответствие стандартам, декодирования сигналов различных протоколов, запуска по этим сигналам и анализа. Кроме того, осциллографы реального времени могут измерять джиттер по одному захвату, что облегчает анализ причин неисправностей. Многие методы измерений, рекомендуемые в стандартах, используют для тестирования приемников осциллографы реального времени. Это значит, что пользователь должен использовать осциллограф реального времени, чтобы гарантировать соответствие своих устройств требованиям стандарта.

 

Рис. 1. Стробоскопические осциллографы, как и осциллографы реального времени, могут строить глазковые диаграммы, гистограммы и измерять джиттер. Благодаря широкой полосе пропускания, модульной конструкции и небольшой стоимости, стробоскопические осциллографы обычно лучше отвечают требованиям производственного тестирования, чем осциллографы реального времени.

 

Рис. 2. Современные осциллографы реального времени имеют полосу пропускания до 63 ГГц и могут выполнять расширенный анализ джиттера, стирая грань между осциллографами реального времени и стробоскопическими осциллографами в научных исследованиях и разработке.

 


Заключение

Осциллографы реального времени идеально отвечают требованиям большинства приложений. Эти осциллографы выпускаются с разными значениями полосы пропускания, позволяют захватывать однократные и периодически повторяющиеся сигналы и все чаще применяются для выполнении высокочастотных измерений, таких как измерения джиттера и параметров передатчиков. Если ваше приложение использует периодически повторяющиеся сигналы, характеризующиеся малым джиттером и широким динамическим диапазоном, то хорошим выбором может оказаться стробоскопический осциллограф. Кроме того, стробоскопические осциллографы обладают меньшей начальной стоимостью и поддерживают модульное обновление, что делает их пригодными для производственного тестирования электрических и оптических параметров. Если вы работаете с частотами выше 20 ГГц и не знаете, какой тип осциллографа выбрать, обратитесь к производителю осциллографов, который выпускает и стробоскопические осциллографы, и осциллографы реального времени. Такой производитель больше заинтересован в том, чтобы выбранный вами осциллограф точно соответствовал вашим потребностям, чем производитель, впускающий только осциллографы реального времени, или предлагающий ограниченный выбор стробоскопических осциллографов.

Представление о том, что такое глубина памяти осциллографа, часто бывает неверным. На самом деле, многие пользователи даже не знают, какова память их осциллографа. В этой статье мы обсудим, что представляет собой память осциллографа, почему она важна, а также преимущества и допускаемые компромиссы использования памяти в осциллографах с различной архитектурой. Также читатели узнают, что не все области памяти одинаковы.

 

Какова глубина памяти вашего настольного осциллографа? Затрудняетесь ответить? Не расстраивайтесь, большинство людей тоже этого не знают. Но вы уверены в том, что чем больше глубина памяти, тем лучше, не так ли? Как и в большинстве случаев, ответ не столь прост, как кажется.

 

Давайте начнем с того, что попытаемся понять, что такое память захвата осциллографа и насколько важен этот параметр. В простейшем случае на входной каскад поступает аналоговый сигнал, а затем в аналого-цифровом преобразователе этот сигнал преобразуется в цифровую форму. После оцифровки данные должны быть сохранены в памяти, обработаны и отображены на экране в виде осциллограммы. Память осциллографа непосредственно связана с частотой дискретизации. Чем больше объем памяти, тем более длинную выборку можно сохранить при захвате сигналов за более длительный период времени. Чем выше частота дискретизации, тем выше эффективная полоса пропускания осциллографа.

 

Как мы уже говорили раньше, чем глубже память осциллографа, тем он лучше, не так ли? В идеальном случае ответ будет «да». Но давайте сравним два осциллографа с аналогичными характеристиками, за исключением величины глубины памяти. У одного осциллографа полоса пропускания 1 ГГц, частота дискретизации 5 Гвыб/с и возможность сохранения в памяти захвата 4 000 000 выборок (мы назовем это "Архитектура MegaZoom"). Другой осциллограф обеспечивает полосу пропускания 1 ГГц, частоту дискретизации 5 Гвыб/с и память захвата на 20 000 000 выборок (назовем это "Архитектура на основе центрального процессора (ЦП)"). В таблице 1 приведены данные о настройках скорости развертки и частоте дискретизации. Есть простая формула для расчета требуемой частоты дискретизации при заданной скорости развертки и определенного объема памяти (для 10 делений на экране и без сигналов, захваченных вне развертки экрана):

 

Глубина памяти / ((установленная скорость развертки) * 10 делений) = частота дискретизации (до максимально возможного значения частоты дискретизации АЦП).

 

Например, при скорости развертки 160 мкс/дел и максимальной глубине памяти 4 000 000 выборок получаем: 4 000 000 / ((160 мкс/дел. * 10 делений) = 2,5 Гвыб/с.

 

Таблица 1. Частота дискретизации для двух идентичных осциллографов

с различной глубиной памяти при стандартных значениях скоростей развертки.

 

 

4 млн. выборок

20 млн. Выборок

10

нс/дел.

5 Гвыб/с

5 Гвыб/с

20

нс/дел

5 Гвыб/с

5 Гвыб/с

40

нс/дел

5 Гвыб/с

5 Гвыб/с

100

нс/дел

5 Гвыб/с

5 Гвыб/с

200

нс/дел

5 Гвыб/с

5 Гвыб/с

400

нс/дел

5 Гвыб/с

5 Гвыб/с

1

мкс/дел.

5 Гвыб/с

5 Гвыб/с

2

мкс/дел.

5 Гвыб/с

5 Гвыб/с

4

мкс/дел.

5 Гвыб/с

5 Гвыб/с

10

мкс/дел.

5 Гвыб/с

5 Гвыб/с

20

мкс/дел.

5 Гвыб/с

5 Гвыб/с

40

мкс/дел.

5 Гвыб/с

5 Гвыб/с

100

мкс/дел.

4 Гвыб/с

5 Гвыб/с

200

мкс/дел.

2 Гвыб/с

5 Гвыб/с

400

мкс/дел.

1 Гвыб/с

5 Гвыб/с

800

мкс/дел.

500 Мвыб/с

2,5 Гвыб/с

2

мс/дел.

200 Мвыб/с

1 Гвыб/с

4

мс/дел.

100 Мвыб/с

500 Мвыб/с

8

мс/дел.

50 Мвыб/с

250 Мвыб/с

20

мс/дел.

20 Мвыб/с

100 Мвыб/с

 

Из таблицы 1 следует, что чем больше глубина памяти, тем выше частота дискретизации по мере снижения скорости развертки – время/дел. Поддержание высокой частоты дискретизации – важная функция, позволяющая осциллографу работать с максимальной эффективностью. В современных осциллографах доступен широкий диапазон значений глубины памяти при частоте дискретизации 5 Гвыб/с – от 10 000 выборок (10 квыб) вплоть до 2 000 000 000 (2 Гвыб).

 

Понятно, что глубокая память полезна, когда речь идет о высокой частоте дискретизации, но когда она не является преимуществом? Когда она замедляет работу осциллографа до такой степени, что уже не помогает решать проблемы при отладке схем? Глубокая память – это большая нагрузка на систему. Некоторые осциллографы, будучи настроенными на быстрый захват сигналов и высокую скорость обновления сигналов на экране, продолжают быстро реагировать на управление; другие осциллографы обладают высокими заявленными характеристиками лишь на бумаге, а в действительности ими нельзя воспользоваться, т. к. при прочих равных условиях скорость обновления у них падает на несколько порядков. Давайте вновь обратимся к тем же двум осциллографам. При 20 нс/дел (высокая скорость развертки) оба осциллографа позволяют реализовать свои максимально возможные скорости обновления. И ни один из осциллографов не задействует всю свою память, значение которой указано в техническом описании. Но что происходит в случае более медленных скоростей развертки, например, 400 нс/дел? Осциллограф с архитектурой MegaZoom автоматически задействует больше памяти для того, чтобы сохранить максимально возможную частоту дискретизации – осциллограф будет вести себя так же, как и следовало ожидать от прибора с глубокой памятью (он будет поддерживать частоту дискретизации 5 Гвыб/с и все еще высокую скорость обновления). Осциллограф с архитектурой на основе ЦП по-прежнему будет использовать то же заданное по умолчанию значение глубины памяти, чтобы не возросло время реакции осциллографа на управление, и не сможет при этом поддерживать такую же высокую частоту дискретизации, да и скорость обновления может снизиться. Что произойдет, если мы будем регулировать глубину памяти для сохранения высокого значения частоты дискретизации? Мы начинаем замечать, что в осциллографе, не способном регулировать глубину памяти, частота дискретизации максимальна (5 Гвыб/с), а скорость обновления сигналов на экране составляет 1/3 от аналогичного значения для осциллографа с MegaZoom. Причём она становится еще ниже для более медленных скоростей развертки (например, при 4 мкс/дел скорость обновления осциллографа с MegaZoom в 20 раз выше, чем у осциллографа на основе ЦП).


Табл. 2. Сравнение скорости обновления, частоты дискретизации и глубины памяти.

 

Архитектура MegaZoom

Архитектура на основе ЦП

Скорость развертки

Частота дискретизации

Скорость обновления

Глубина памяти

Частота дискретизации

Скорость обновления

Глубина памяти

20 нс/дел

5 Гвыб/с

860 000 осц./с

Авторегулировка

5 Гвыб/с

72 000 осц./с

10 квыб

400 нс/дел

5 Гвыб/с

75 000 осц./с

Авторегулировка

2,5 Гвыб/с

64 000 осц./с

10 квыб

400 нс/дел

5 Гвыб/с

75 000 осц./с

Авторегулировка

5 Гвыб/с

20 000 осц./с

100 квыб

4 мкс/дел

5 Гвыб/с

8 000 осц./с

Авторегулировка

5 Гвыб/с

400 осц./с

1 Мвыб

 

Что же отличает один осциллограф, оптимизированный по глубине памяти, от другого, который имеет фиксированную настройку используемой памяти 10 квыб, чтобы сохранить быструю реакцию на управление? В основном это связано с архитектурой осциллографа. В некоторых осциллографах используется центральный процессор общего назначения («архитектура на основе ЦП»), и от степени его адаптации для данной задачи зависит, насколько быстро осциллограф может обрабатывать информацию и отображать ее на экране. Если ЦП не способен решать задачи управления глубиной памяти при регистрации захваченных сигналов, то он будет замедлять процесс обработки и отображения данных, тем самым снижая скорость обновления сигналов (иногда существенно). На рис. 1 представлен пример такой архитектуры.

 

Рис. 1. Структурная схема осциллографа на основе ЦП, демонстрирующая каким образом ЦП ограничивает полноценную регистрацию сигналов.

 

К счастью, существует другой путь. В осциллографах, оптимизированных по глубине памяти, используется специализированная ИС, которая позволяет отказаться от ЦП, как составной части архитектуры осциллографа. Остался ли в осциллографе центральный процессор? Конечно, но теперь он используется для периферийной обработки данных, что позволяет осциллографу сосредоточиться на том, для чего он предназначен – на отображении сигналов. На рис. 2 показан пример этой инновационной архитектуры, используемой в осциллографах DSO серии 3000 X компании Keysight. В них применяется специализированная ИС (названная MegaZoom IV), позволяющая обеспечить высокую скорость обновления при максимально возможных глубине памяти и частоте дискретизации.

 

Рис. 2. Архитектура MegaZoom со специализированной ИС, управляющей выводом на дисплей сигналов из памяти захвата

 

Память и архитектура осциллографа настолько взаимосвязаны, что существуют причины, по которым нельзя поддерживать по умолчанию значение глубины основной памяти 10 квыб. Например, одним из лучших усовершенствований в осциллографах за последние 15 лет стало добавление цифровых каналов, но не все цифровые каналы реализованы одинаково. Включение цифровых каналов в архитектуру на основе ЦП, которую мы обсуждали выше, вызовет на самом деле такое замедление работы осциллографа, что скорость обновления никогда не будет выше 135 осциллограмм в секунду, независимо от глубины памяти или скорости развертки. Это на несколько порядков медленнее, чем максимальная скорость обновления, указываемая производителем. Почему это происходит? Опять же, это связано с архитектурой осциллографа. Как видно из рис. 1, цифровые каналы осциллографа смешанных сигналов (MSO) не слишком удачно вписываются в архитектуру на основе ЦП, в которой процессору отводится основная роль в формировании изображения развертки. Можно заметить, что в осциллографах с архитектурой MegaZoom (рис. 2) цифровые каналы являются неотъемлемой частью специализированной ИС, которая выполняет формирование изображения развертки сигналов для всех каналах. Архитектура MegaZoom позволяет не замедлять работу осциллографа при подключении цифровых каналов. Другие общие функции, такие как интерполяция Sinx/x, также могут настолько замедлить работу приборов на основе ЦП, что вы увидите катастрофическое снижение скорости обновления при изменении настроек скорости развертки в зависимости от того, подключен или отключен фильтр Sinx/x в осциллографе. Архитектура MegaZoom не страдает от этой проблемы.

 

Низкая скорость отклика осциллографа на управление является еще одним недостатком систем на основе ЦП. Вы когда-нибудь переключали скорость развертки на осциллографе с большой глубиной памяти и ждали, когда она установится? Или пытались вернуть прежнюю настройку только потому, что осциллограф медленно реагирует, и вы случайно проскочили нужное значение параметра? Это происходит из-за того, что ЦП не успевает обработать данные – одна и та же причина вызывает снижение скорости обновления и приводит к падению скорости реакции осциллографа на управление.

 

До сих пор мы обсуждали режимы, в которых осциллограф работает и используется, например, для отладки. Но если вы просто хотите взглянуть на сигнал, захваченный за один цикл выборки, то большой объем памяти снова лучше, не так ли? Для отображения такого сигнала вам не требуется высокая скорость обновления, а скорость реакции осциллографа на управление должна быть лучше, чем в случае, когда идет непрерывный захват и отображение. Опять же, это, казалось бы, логичное заключение в некоторых случаях действительно верно. Но что, если вы рассматриваете сигнал, представляющий собой пакеты данных с большими временными промежутками между ними (такой как импульс РЛС или кадры/пакеты данных последовательных шин)? В осциллографах без оптимизации глубины памяти вы должны использовать все, что хранится в памяти выборок: и то, что захвачено во время паузы между пакетами, и сам пакет данных. Это не самое лучшее использование памяти, так как вам, наверное, нужны только пакеты. В некоторых осциллографах предусмотрена функция, называемая «сегментированной» памятью. Сегментированная память позволяет оцифровывать только ту часть сигнала, которая вам нужна, так что вы можете использовать память более эффективно.

 


Рис. 3. Два разнесенных во времени ВЧ импульса. Обратите внимание на низкое значение частоты дискретизации, обусловленное тем, что осциллограф обрабатывает сигнал и во время прохождения импульсов, и во время паузы.


Давайте рассмотрим пример, где сегментированная память может дать преимущество. На рис. 3 можно увидеть два пакета радиолокационных сигналов, разделенных длительной паузой. В осциллографах без оптимизации глубины памяти оцифровываются и пакеты, и сигнал между ними. Как показано на рис. 3, частота дискретизации осциллографа (с типовым значением 5 Гвыб/с) составляет всего лишь 625 Мвыб/с – и это для захвата только двух импульсов! Что же произойдет, если мы захотим захватить 100 импульсов? Частота дискретизации снизится до значения менее 10 Мвыб/с, и импульсы больше нельзя будет идентифицировать, потому что они будут расположены далеко за пределами выборки. Если мы хотим захватить эти 100 импульсов и все время паузы между ними при частоте дискретизации 5 Гвыб/с, то нам понадобится осциллограф с памятью на 2,5 Гвыб (2 500 000 000). Сегодня на рынке нет осциллографов с такой глубиной памяти. В случае сегментированной памяти можно оцифровать только ту область, которая нас интересует (сам пакет) и игнорировать время паузы между пакетами. На рис. 4 представлен первый из 100 ВЧ пакетов, захваченных с помощью сегментированной памяти. Обратите внимание на то, что частота дискретизации составила 5 Гвыб/с и каждый сегмент имеет метку времени, чтобы вы знали, какой момент времени относительно начального пуска рассматривается. На рис. 5 показан 100-й пакет и его метка времени (396,001 мс). Осциллограф позволяет перемещаться между сегментами и анализировать их (в том числе декодировать пакеты в каждом сегменте, если вы используете сегментированную память для анализа сигнала последовательной шины).

 

Рис. 4. Первый из 100 ВЧ пакетов, захваченных с помощью сегментированной памяти. Обратите внимание на то, что частота дискретизации равна 5 Гвыб/с.

Рис. 5. Последний, 100-й пакет из захваченных с помощью сегментированной памяти. Обратите внимание на частоту дискретизации (5 Гвыб/с) и метку времени (396,001 мс).

 

В конце концов, часто приходится убеждаться в том, что высокие характеристики, которые производитель указывает в техническом описании прибора, вовсе не являются его преимуществом. Хотя приведенное в техническом описании большое значение памяти захвата может выглядеть очень заманчивым, следует подумать о том, как вы будете использовать осциллограф. В некоторых случаях самая глубокая память действительно будет лучшим выбором. Но во многих случаях осциллограф, оптимизирующий глубину памяти, будет лучшим вариантом и не разочарует вас своей медлительностью или нестабильной работой.

В последние десятилетия в сфере сверхширокополосных систем передач наблюдается замещение электронных систем на фотонные. Отсутствие заряда и массы наделяет фотон свойствами, невозможными для электрона, в результате чего фотонные системы не подвержены внешним электромагнитным полям и обладают гораздо большей, в сравнении с электронными, дальностью передачи и шириной занимаемой полосы сигнала.

 

Что такое радиофотоника

Преимущества, уже реализованные на базе фотоники в сфере телекоммуникаций, дают право говорить о новом отраслевом направлении – радиофотонике, возникшей из слияния радиоэлектроники, интегральной и волновой оптики, СВЧ-оптоэлектроники и ряда других областей науки и промышленного производства.

 

Другими словами, радиофотоника ‒ новое научно-техническое и технологическое направление, изучающее взаимодействие оптического излучения и СВЧ-радиочастотного сигнала в задачах приема, передачи и обработки информации. Направление связано с использованием методов и средств фотоники совместно с радиоэлектронными элементами, узлами и устройствами радиодиапазонов. 

 

Радиофотоника нашла свое применение в таких областях, как передача с минимальными потерями сигналов спутниковой связи, распределение сигналов на удаленные антенны, линии передачи СВЧ-сигналов внутри крупных объектов, системы радиоэлектронной борьбы (РЭБ), оптические линии задержки и обработки сигналов, системы калибровки радаров и РЛС, фазированные антенные решетки (ФАР).

 

В английской литературе данное направление получило название radio over fiber (ROF) или radio over glass (ROG). Суть этих технологий заключается в передаче радиосигнала (на соответствующей несущей, с определенным форматом модуляции, или импульсным сигналом, с ЛЧМ и т.д.) по оптоволоконному кабелю с помощью двух ключевых элементов: передатчика (TX - transmitter) и приемника (RX - receiver). В основном качество такой системы и определяется этими главными (активными) электрооптическим и оптоэлектронным компонентами (рис.1).

 

Рис.1. Структура радиофотонной системы

 

Основные преимущества радиофотонных систем: сверхнизкие потери и дисперсия оптического волокна (менее 0.2 дБ/км на 1550 нм, оптическая несущая ~200 ТГц); сверхширокополосность (доступная полоса частот оптического волокна ~50 ТГц, полоса частот современных фотодиодов и модуляторов до 100 ГГц и выше); низкий уровень фазовых шумов (процесс прямого оптического детектирования с помощью фотодиода не восприимчив к фазе оптического излучения); высокая фазовая стабильность оптического волокна; невосприимчивость к электромагнитным помехам, не создает помехи; гальваническая развязка фотонных схем; малая масса и размеры оптического волокна; механическая гибкость оптического волокна (облегчает конструктивное исполнение).

 

Типы компонентов радиофотонных систем

Итак, основные компоненты радиофотонной системы - передатчик и приемник. Конечно, это общие названия. На практике передатчик является более сложным устройством, содержащим источник лазерного излучения и модулятор, не считая электронные схемы управления, например, микропроцессор. В качестве приемников используются различные фотодиоды или фотодетекторы, а при необходимости детектирования фазы оптического сигнала - когерентные фотодетекторы со смешением с опорным сигналом (рис.2).

 

Рис.2. Основные компоненты радиофотонной системы

 

Конечно, роль пассивных оптических компонентов также высока, и использование качественных оптоволоконных кабелей – залог передачи сигнала с минимальными потерями. Для некоторых типов сигналов и форматов модуляции критичным становится сохранение состояния поляризации по всей длине волокна.

 

Немало зарубежных компаний предлагают сегодня радиочастотные волоконно-оптические компоненты различного назначения и различных принципов действия (рис.3 и 4). Сейчас важным направлением развития и сохранения обороноспособности и научного потенциала России является разработка отечественной компонентной базы. Именно при разработках, исследованиях, опытно-конструкторских работах и производстве компоненты необходимо характеризовать и получать полную информацию в широком рабочем частотном диапазоне.

 

Рис.3. Примеры модуляторов и лазерных диодов, использующихся в радиофотонных системах

 

Рис.4. Примеры фотоприемных устройств, использующихся в радиофотонных системах

 

Метод измерения параметров компонентов - «оптические» S-параметры

Как было сказано выше, компоненты радиофотонных систем необходимо характеризовать и получать полную информацию в широком рабочем частотном диапазоне. Такую информацию несут, как известно, S-параметры для ВЧ/СВЧ-устройств. В оптических системах передачи данных и связи активные компоненты также можно охарактеризовать в зависимости от соотношений между выходным и входным сигналом и типа этих сигналов. Для оптических компонентов S-параметры несут определенный смысл, отличающийся от S-параметров ВЧ/СВЧ-устройств. Например, частота отсечки модулирующего сигнала, абсолютная чувствительность, потери на отражение и т.д. К тому же невозможно измерение параметра S12, ввиду невозможности обратного преобразования сигнала в таких компонентах.

 

Итак, измерение параметров оптоэлектронного приемника состоит из определения отношения силы тока выходного электрического модулированного сигнала к уровню мощности входного оптического модулирующего сигнала. Чувствительность оптоэлектронных устройств описывает, как изменение уровня оптической мощности приводит к изменению электрического тока. Графически это показано на рис.5.

 

Рис.5. Определение характеристик оптоэлектронных устройств

 

Прибор должен измерять уровень мощности входного оптического модулирующего сигнала, силу тока выходного электрического модулированного сигнала и отображать отношение этих двух величин в А/Вт.

 

Процесс измерения параметров электрооптических устройств во многом аналогичен измерению оптоэлектронных устройств. Анализ электрооптического передатчика включает измерение силы тока входного электрического сигнала модуляции и уровня мощности выходного оптического модулированного сигнала. Крутизна характеристики или чувствительность (Responsivity Rs (W/A)) используется для описания того, как изменение силы тока на входе приводит к изменению уровня мощности на выходе. Графически это показано на рис.6.

 

Рис.6. Определение характеристик электрооптических устройств

 

Прибор должен измерять силу тока входного электрического модулирующего сигнала, уровень мощности выходного оптического модулированного сигнала и отображать отношение этих двух величин в Вт/А в линейном масштабе или децибелах.

 

Таким образом, используя приведенные методы измерений параметров и характеризации для тестирования компонентов систем передачи радиосигнала по оптическому каналу, а именно электрооптических, оптоэлектронных устройств, компанией Keysight Technologies предложен инновационный прибор - анализатор оптических компонентов (lightwave component analyzer – LCA), построенный на базе векторного анализатора цепей. Концептуальная диаграмма метода анализа оптических компонентов, реализованного на базе векторного анализатора цепей и преобразования радиосигнала в оптический и наоборот, представлена на рис.7.

 

Рис.7. Концептуальная диаграмма анализатора оптических компонентов

 

Концептуальная схема реализуется с помощью так называемой «оптической» приставки (рис.8), в которой происходит преобразование, то есть в ней интегрированы оптический передатчик и оптический приемник, а система фазостабильных кабелей используется для передачи сигналов на векторный анализатор цепей, откалиброванный в плоскости входных каналов последнего. Такое оборудование позволяет определять «оптические» S-параметры в диапазоне частот до 67 ГГц.

 

Рис.8. Структура анализатора оптических компонентов

 

Сейчас линейка анализаторов оптических компонентов компании Keysight Technologies состоит из четырех приборов: N4373D, N4375D, N4376D, N4374B (табл.). В каждой модели опционально можно выбрать необходимый частотный диапазон, конфигурацию векторного анализатора цепей, конфигурацию оптической приставки (например, использование встроенного лазерного излучателя или внешнего - на пользовательской длине волны).

 

Модели анализаторов оптических компонентов компании Keysight Technologies

МодельЧастотные диапазоныПараметры оптической приставкиМодель векторного анализатора цепей, на базе которого строится прибор
N4374B4,5 ГГцодномодовое волокно, 1310, 1550 нм или внешний источник излученияENA-C, только 2 порта
N4376D26,5 ГГцмногомодовое волокно, 850 нмPNA, 2 или 4 порта
N4375D26,5 ГГцодномодовое волокно, 1310, 1550 нм или внешний источник излученияPNA, 2 или 4 порта
N4373D43,5   50   67 ГГцодномодовое волокно, 1310, 1550 нм или внешний источник излучения (либо многомодовое 850 нм по специальному запросу)PNA, 2 или 4 порта

 

Управление прибором осуществляется с помощью надстройки к стандартному пользовательскому интерфейсу анализаторов цепей Keysight. С помощью данной надстройки выбирается длина волны источника излучения, мощность оптического излучения, рабочая точка встроенного лазерного излучателя.  Таким образом, работа с прибором такого высокого класса интуитивно понятна и не составляет труда, в том числе процесс калибровки и коррекции предыскажений (рис.9).

 

Рис.9. Интуитивно понятный пользовательский интерфейс анализатора оптических компонентов

 

Так же анализатор оптических компонентов (при использовании 4-портовой конфигурации анализатора цепей) позволяет проводить балансные измерения устройств с дифференциальными входами или выходами (рис.10). Как и тестирование ВЧ/СВЧ устройств, радиофотонные компоненты можно тестировать на подложке или плате с помощью зондовой станции и специальных пробников (рис.11).

 

Рис.10. Измерения балансных устройств на примере приемника типа ROSA

Рис.11. Тестирование оптических компонентов на подложке или плате

 

Еще одним преимуществом метода характеризации ВЧ/СВЧ оптоэлектронных и электрооптических компонентов в частотной области с помощью S-параметров является их интеграция с системами автоматизированного проектирования (САПР). Так, для моделирования радиофотонной системы можно использовать измеренные на анализаторе оптических компонентов S-параметры передатчика или приемника, загрузить их в соответствующую модель, например, в САПР для моделирования на системном уровне Keysight SystemVue, и модель системы построить на основе реальных параметров, обеспечивая этим полное соответствие и правдоподобность модели (рис.12).

 

Рис.12. Экстракция измеренных параметров в САПР на примере лазерного передатчика типа VCSEL

 

Таким образом, компанией Keysight Technologies разработан и предложен метод измерений параметров и характеризации ВЧ/СВЧ оптоэлектронных и электрооптических компонентов в частотном диапазоне до 67 ГГц и решение для его реализации на базе векторных анализаторов цепей компании Keysight серий ENA и PNA.

Осциллографы с вертикальным разрешением больше 8 разрядов не редкость на современном рынке. Многие производители выпускают осциллографы с вертикальным разрешением до 12 разрядов, а некоторые заявляют о разрешении до 15 разрядов. В некоторых случаях такое высокое разрешение достигается за счет обработки цифровым сигнальным процессором (DSP) выходного сигнала стандартного 8-разрядного аналого-цифрового преобразователя (АЦП). В некоторых случаях повышенное разрешение достигается за счет применения 12-разрядного АЦП. Некоторые осциллографы для достижения вертикального разрешения более 12 разрядов используют комбинацию 12-разрядного АЦП и цифровой обработки. Уже несколько лет на рынке представлены осциллографы с режимом высокого разрешения. Осциллографы, специально предназначенные для выполнения измерений с высоким вертикальным разрешением, обычно называют осциллографами “высокого разрешения” или “высокой четкости”. В этой статье мы расскажем, что на самом деле означает заявленная высокая разрядность и как она соотносится с реальной разрядностью АЦП. Статья описывает архитектуру регистратора высокого разрешения, рассказывает, как она работает, и когда её следует применять. Мы поясним также соотношения между вертикальным разрешением, частотой дискретизации и полосой пропускания.

 

Что на самом деле означает “число разрядов”, указанное в технических характеристиках?

Нужно иметь в виду, что общепринятого способа определения числа разрядов цифровых осциллографов высокого разрешения не существует. Это может усложнить сравнение характеристик конкурирующих моделей.

 

Все производители указывают число разрядов АЦП, которое, как правило, лежит в диапазоне от 8 до 12. Число уникальных цифровых значений или уровней квантования (Q) равно 2 в степени n, где n – число разрядов АЦП. 8-разрядный АЦП имеет 256 уровней квантования, тогда как 12-разрядный АЦП имеет 4096 уровней квантования. При достаточно хорошем отношении уровней сигнала к шуму (С/Ш), большая разрядность АЦП позволяет передать больше мелких деталей исследуемого сигнала.

 

Иногда для описания числа разрядов используется термин “разряды разрешения”. Осциллографы, по отношению к которым используется этот термин, обычно имеют 8-разрядный АЦП и цифровой сигнальный процессор для достижения разрешения больше 8 разрядов. Чаще всего для повышения разрядности используются N-звенные узкополосные усредняющие фильтры. Усреднение по двум выборкам добавляет один разряд разрешения. Общее выражение для расчета результирующей разрядности описывается Уравнением 1.

 

Уравнение 1:  r = n +log2(N)  разряды разрешения

 

Например, 12 разрядов разрешения получаются с помощью 16-звенного узкополосного усредняющего фильтра, обрабатывающего выходные данные 8-разрядного АЦП.

 

Некоторые производители предпочитают указывать “число расширенных разрядов”. Расширенный разряд эквивалентен разряду идеального АЦП, обладающего тем же отношением С/Ш. Реализация, дающая m расширенных разрядов, обладает таким же идеальным отношением С/Ш, которое достигается в идеальном m-разрядном АЦП. При использовании узкополосного усредняющего фильтра на выходе n-разрядного АЦП, число расширенных разрядов m описывается Уравнением 2.

 

Уравнение 2:  m = n + log4(N)  расширенные разряды

 

Например, 64-звенный узкополосный усредняющий фильтр на выходе 8-разрядного АЦП дает 12 расширенных разрядов разрешения.

 

Другая часто используемая характеристика - это “Эффективное число разрядов” (ENOB). ENOB является мерой отношения С/Ш оцифрованного сигнала. Значение С/Ш в дБ определяется Уравнением 3. Другое определение через среднеквадратическое значение напряжения (Vср.кв.) дается Уравнением 4. Это определение полезно для расчета отношения С/Ш осциллографа. Уравнение 5 показывает взаимосвязь ENOB и С/Ш.

 

Уравнение 3: SNRдБ = 10 log10(Мощность сигнала / Мощность шума)

Уравнение 4: SNRдБ = 20 log10(Vср.кв. сигнала / Vср.кв. шума)

Уравнение 5: ENOB = (SNRдБ– 1,761) / 6,02

 

Каждый дополнительный эффективный разряд улучшает С/Ш на 6,02 дБ. Идеальный 8-разрядный АЦП имеет ENOB=8 и С/Ш=50 дБ. Шум идеального АЦП полностью определяется эффектами квантования. Идеальный АЦП с большим числом разрядов имеет меньший шум квантования и лучшее значение ENOB. ENOB зависит от частоты и поэтому, как правило, указывается для конкретной частоты.

 

ENOB является хорошим показателем качества при сравнении осциллографических технологий. На значение ENOB влияют все источники шумов и ошибок в осциллографе, включая шум квантования АЦП, дифференциальную нелинейность АЦП, интегральную нелинейность АЦП, тепловой шум, дробовой шум и искажения входного усилителя. Имейте в виду, что указываемое значение ENOB обычно значительно меньше числа разрядов из-за шума и погрешностей. Например, для 12-разрядного цифрового осциллографа типовое значение ENOB на высоких частотах составляет от 8 до 9 разрядов, что эквивалентно отношению С/Ш от 50 до 56 дБ.

 

Примеры осциллограмм высокого разрешения

Рисунок 1 показывает три сигнала, захваченные цифровым осциллографом, поддерживающим режим захвата высокого разрешения. Входной сигнал представляет собой ступенчато меняющийся сигнал, генерируемый путем подачи на цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) сигнала цифрового счетчика. Верхний экран показывает все три сигнала со стандартным увеличением. Нижний экран показывает три сигнала, наложенных друг на друга, с 10-кратным увеличением, демонстрирующим больше подробностей по вертикальной оси. Верхний сигнал захвачен с частотой дискретизации 2,5 Гвыб/с с выключенным режимом высокого разрешения. Обратите внимание на шум сигнала и отсутствие мелких подробностей. Это особенно заметно при 10-кратном увеличении. В данном случае квантование не заметно, поскольку для улучшения изображения было применено вертикальное сглаживание. Средний сигнал захвачен с частотой дискретизации 2,5 Гвыб/с с включенным режимом высокого разрешения, установленным на значение 12 разрядов. В этом случае полоса пропускания равна 554 МГц. Шум значительно уменьшается, и можно рассмотреть больше вертикальных деталей. Нижний сигнал захвачен с разрешением больше 12 разрядов. Это достигнуто за счет применения частоты дискретизации 125 Мвыб/с, что повышает вертикальное разрешение больше чем до 12 разрядов и сокращает полосу пропускания до 28 МГц. Для этого вполне достаточно полосы сигнала 28 МГц, и она обеспечивает наилучшее отношение С/Ш с максимальной детализацией по вертикали.

 

Рис. 1. Примеры сигналов, захваченных с высоким разрешением

 

Осциллограммы, показанные на рисунке 1, получены на осциллографе с 8-разрядным АЦП и режимом высокого разрешения, реализованном с помощью узкополосного усредняющего фильтра. Уравнение 6 позволяет рассчитать примерную полосу усредняющего фильтра.

 

Уравнение 6: Полоса усредняющего фильтра ≈ 0.4428 Fs/N

 

Для средней осциллограммы на рисунке 1 полосу можно рассчитать следующим образом. Частота дискретизации Fs сигнала, поступающего на узкополосный усредняющий фильтр, равна 20 Гвыб/с, а число разрядов разрешения равно 12. Из Уравнения 1 следует, что число звеньев должно быть 2(12 – 8) или 16. Полоса равна 0,4428 x 20 x 109/16 или 554 МГц. Большинство осциллографов высокого разрешения рассчитывает полосу автоматически.

 

Архитектура регистраторов высокого разрешения

На рисунке 2 показана архитектура, широко применяемая для реализации систем регистрации сигнала высокого разрешения. Входной аналоговый сигнал пропускается через ограничивающий полосу фильтр для подавления составляющих, лежащих выше частоты Котельникова (Найквиста). Частота Котельникова равна половине частоты дискретизации Fs. Любые составляющие сигнала выше частоты Котельникова, попавшие в полосу пропускания, создают нежелательное наложение спектров.

 

Рис. 2. Архитектура регистратора с высоким разрешением

 

Некоторые производители для описания обработки выборок сигнала в осциллографах высокого разрешения применяют термин “сверхпередискретизация”. Минимальная частота дискретизации, предотвращающая наложение спектров, вдвое превышает полосу ограниченного по полосе аналогового сигнала. Сверхпередискретизация использует частоту дискретизации, значительно превышающую это значение. Сверхпередискретизация является очень полезным методом, повышающим вертикальное разрешение и снижающим собственный шум быстрого преобразования Фурье (БПФ).

 

Наложение спектров возникает в стандартных осциллографах с полной полосой пропускания при работе на пониженных частотах дискретизации. Частота среза ограничивающего полосу фильтра устанавливается немного выше максимальной заявленной полосы и обычно не перенастраивается для поддержки меньших частот дискретизации. В архитектуре высокого разрешения наложение спектров существенно уменьшается за счет применения перед субдискретизатором N-звенного фильтра нижних частот с конечной импульсной характеристикой (КИХ). Этот фильтр ослабляет спектральные составляющие, которые в противном случае вызвали бы смещение спектра в полосу пропускания после субдискретизации. В специальных осциллографах высокого разрешения наложение спектров не вызывает таких проблем, поскольку частота среза полосового фильтра выбирается в соответствии с уменьшенной полосой пропускания. Например, осциллограф с полосой пропускания 4 ГГц в режиме высокого разрешения для достижения разрешения 12 разрядов на частоте 500 МГц должен установить частоту среза выше 4 ГГц для поддержки максимальной доступной полосы. С другой стороны, специальный осциллограф высокого разрешения с полосой пропускания 500 МГц может установить частоту среза немного выше 500 МГц, полностью устранив наложение спектров.

 

На рисунке 2 показан 8-разрядный АЦП, но эта архитектура так же хорошо работает и с АЦП более высокой разрядности. После АЦП включен N-звенный фильтр и субдискретизатор. В осциллографах, использующих для достижения высокого разрешения АЦП с большим числом разрядов, N-звенный фильтр не нужен. Тем не менее, обычно этот фильтр все же устанавливается для достижения большего разрешения, чем разрешение АЦП. Фильтры с одинаковыми взвешивающими коэффициентами для всех звеньев называются усредняющими. Усредняющие фильтры легко реализуются и поддерживают очень высокую входную частоту дискретизации и большое число звеньев. Однако реакция усредняющего фильтра на скачок напряжения представляется в частотной области кривой Sin(x)/x (см. рисунок 3). Боковые лепестки в полосе ослабления приводят к тому, что некоторые спектральные составляющие сигнала оказываются в полосе пропускания, порождая дополнительный шум и искажения. Для компенсации этого явления некоторые осциллографы используют неравное взвешивание на разных звеньях, позволяя получить более приемлемую частотную характеристику. Одна из таких реализаций называется “Улучшенным разрешением” или ERES. Звенья фильтра рассчитываются так, чтобы давать в частотной области гауссовскую характеристику без боковых лепестков, которая подавляет провалы, выбросы и звоны во временной области.

 

Включенный за КИХ-фильтром субдискретизатор позволяет экономно расходовать память захвата при продолжительном захвате сигнала. В большинстве реализаций N-звенный фильтр и субдискретизатор интегрированы в один блок, который выводит только одну из каждых N выборок. Одна из особенностей субдискретизатора заключается в том, что он создает несколько видов частотной характеристики с центром на кратных значениях поделенной частоты Fs/N. Частота Котельникова снижается до Fs/(2N). Все спектральные составляющие в полосе пропускания КИХ-фильтра за пределами Fs/(2N), попадающие в полосу пропускания, порождают дополнительный шум и искажения. Для компенсации этого явления некоторые осциллографы используют на выходе памяти захвата M-звенный КИХ-фильтр. Фильтрация, применяемая для достижения высокого разрешения, совместно использует M- и N-звенные фильтры, позволяя сократить длину N-звенного фильтра и повысить частоту дискретизации для заданной полосы пропускания.

 

Некоторые осциллографы высокого разрешения сохраняют в памяти захвата 16-разрядные выборки. В стандартных осциллографах, обычно сохраняющих в памяти 8-разрядные выборки, включение режима высокого разрешения приводит к уменьшению доступной памяти вдвое.

 

Рис. 3. Импульсная и частотная характеристика 16-звенного узкополосного усредняющего фильтра

 

Иногда для повышения качества изображения применяется вертикальное сглаживание. Вертикальное сглаживание заполняет неиспользуемые младшие разряды 16-разрядных выборок случайным шумом. Каждый дополнительный бит сглаживания удваивает число уровней квантования сигнала.

 

Иногда для ограничения полосы пропускания на выходе памяти захвата используется дополнительный КИХ-фильтр. Обычно скорость передачи данных на выходе памяти захвата значительно ниже, чем на входе, что позволяет использовать более сложные и точные цифровые фильтры. И хотя такой фильтр хорошо подавляет шум и улучшает разрешение при полной частоте дискретизации, он подвержен наложению спектров при меньших частотах дискретизации, поскольку стоит после субдискретизатора. Поэтому при измерениях на пониженных частотах дискретизации лучше применять фильтры высокого разрешения.

 

Повышение вертикального разрешения за счет усреднения

Большинство цифровых осциллографов позволяет снизить шум и повысить вертикальное разрешение за счет усреднения. В отличие от архитектуры высокого разрешения, усреднение не приводит к сужению полосы пропускания. Кроме того, усреднение применимо только к периодическим сигналам. Усреднение выполняется по нескольким сигналам, захваченным после события запуска. Каждая выборка сигнала усредняется с такой же предыдущей выборкой периодического сигнала.

 

Используйте усреднение, когда

  • Необходима полная полоса пропускания осциллографа.
  • Сигнал имеет периодический характер.
  • Не требуется большой объем памяти.
  • Нужно управлять числом усреднений.

 

Используйте регистрацию с высоким разрешением, когда

  • Не требуется полная полоса пропускания осциллографа.
  • Сигнал нужно захватить за один цикл запуска.
  • Необходима высокая скорость.
  • Необходим большой объем памяти для захвата продолжительных интервалов.

 

Некоторые осциллографы позволяют одновременно выполнять усреднение и захват с высоким разрешением, что обеспечивает компромисс между полосой пропускания и скоростью.

 

На рисунке 4 показана псевдослучайная двоичная последовательность (PRBS), захваченная осциллографом высокого разрешения, настроенным на разрешение 10 разрядов и полосу пропускания 2 ГГц. Также здесь показана PRBS, захваченная с включенным усреднением (4 усреднения). В данном случае усреднение дает бессмысленный результат, поскольку сигнал PRBS не периодичен в интервале захвата.

 

Рис. 4. Сравнение высокого разрешения с усреднением для сигнала PRBS

 

Зачем покупать специальный осциллограф высокого разрешения?

Если для измерения необходимы высокое вертикальное разрешение и средняя полоса пропускания, лучшим выбором будет специальный осциллограф высокого разрешения (высокой четкости). Такие осциллографы используют новейшие технологии АЦП и цифровых сигнальных процессоров для достижения превосходного разрешения и минимального шума. Они позволяют эффективнее бороться с наложением спектров. Для достижения высокого разрешения не требуется применения специального режима или настройки. Кроме того, такие осциллографы обычно отображают число разрядов и полосу пропускания, что упрощает работу. Однако максимальная полоса пропускания осциллографа высокого разрешения обычно меньше полосы 8-разрядного осциллографа того же ценового диапазона.

 

Несмотря на это, в направлении осциллографов высокого разрешения компания Keysight Technologies обошла своих конкурентов, представив в 2014 году специальную серию осциллографов высокой четкости среднего ценового диапазона - серию S, модели которой имеют 10-разрядный АЦП собственной разработки и полосу пропускания вплоть до 8 ГГц (см. рис. 5). Таким образом, мы преодолели основной компромисс между вертикальным разрешением и полосой пропускания.

 

Рис. 5. Осциллограф Keysight серии S высокой четкости (ПП 8 ГГц)

Основной целью использования большинства осциллографов начального и среднего классов в процессе исследований и разработок является тестирование и отладка новых устройств. Другими словами, необходимо найти и устранить нарушения целостности сигнала до отправки устройства заказчику. Самой сложной проблемой является обнаружение редких случайных аномалий сигнала, то есть аномалий, о которых Вы знать не знаете и не ожидаете. К сожалению, поиск редких событий, например, кратковременных импульсных помех (глитчей), зачастую похож на поиск иголки в стоге сена.

 

Решая задачу захвата редких быстрых событий с помощью осциллографа, инженеры часто принимают во внимание только заявляемые производителем (т.н. баннерные) характеристики осциллографов: полосу пропускания, частоту дискретизации и глубину памяти. Вместе с тем, есть еще одна, не менее важная, характеристика — скорость обновления сигналов на экране.

 

Большинство инженеров согласятся с тем, что важнейшей характеристикой цифрового запоминающего осциллографа является полоса пропускания в реальном времени. Этот параметр относится к аналоговой характеристике входных каскадов осциллографа, а также она должна быть обеспечена и цифровой характеристикой, отвечающей за уровень временной детализации (частота дискретизации), с которой осциллограф захватывает сигналы в каждом цикле сбора данных. 

 

Другой характеристикой осциллографа, которую многие инженеры считают важной, является глубина (или объем) памяти. От глубины памяти зависит максимальная длительность сигнала, которую осциллограф может захватить с заданной частотой дискретизации. Чем больше объем памяти, тем выше вероятность захвата редкого случайного события. Но хотя осциллограф с глубокой памятью и способен уловить редкую аномалию сигнала, как вы сможете об этом узнать? Если настройки горизонтальной развёртки осциллографа позволяют наблюдать весь захваченный сигнал, это было бы похоже на то, как человек, стоя задом к стогу сена, надеется обнаружить иголку в самой его середине. Если же настроить развертку для детального отображения узких и быстрых событий, то нежелательные аномалии сигнала могут оказаться за пределами экрана и, таким образом, снова быть невидимыми. Если использовать приведенную выше аналогию, то это будет похоже на исследование с помощью увеличительного стекла одного небольшого участка стога. Но где же иголка? По определению, случайное и редкое событие может произойти в любой момент и может проявиться в любом виде. Вы просто можете не знать, где и что именно нужно искать.

 

Большой объем памяти, безусловно, важен, и может быть востребован в некоторых специфических и уникальных приложениях при решении определенных измерительных задач. Однако глубокая память вряд ли поможет в обнаружении редких аномалий сигнала в разрабатываемом устройстве. На самом деле, использование большого объема памяти в осциллографе для выявления случайных событий часто может быть помехой из-за снижения производительности в осциллографах с традиционной архитектурой. Захват большего объема данных требует большего времени для сбора и обработки сигналов.

 

Для захвата случайных и редких событий следующей важнейшей характеристикой осциллографа после полосы пропускания в реальном времени является скорость обновления сигналов на экране. Чем выше скорость обновления сигналов, тем выше вероятность того, что осциллограф сможет захватить и отобразить редкую аномалию. Чтобы понять важность высокой скорости обновления сигналов, нужно знать о такой свойственной всем осциллографам характеристике, как «мертвое время» (dead-time).

 

«Мертвое время» — это время, которое требуется осциллографу для обработки данных, полученных в процессе предшествующего захвата, с целью отображения осциллограммы, которая фактически состоит из последовательности выборок. Чем выше у осциллографа скорость обновления сигналов на экране, тем меньше у него величина мертвого времени.

 

Рис. 1. Аномалии сигнала, которые появляются в период мертвого времени осциллографа, не захватываются и не отображаются на дисплее

 

 

Рисунок 1 иллюстрирует понятие мертвого времени осциллографа. В этом примере две импульсные помехи появляются в период мертвого времени осциллографа и не отображаются на дисплее после двух циклов сбора данных. Во многих случаях продолжительность мертвого времени осциллографа может во много раз превышать длительность отображаемого на дисплее сигнала. Допустим, к примеру, что мы используем осциллограф со скоростью обновления сигналов 1000 осциллограмм в секунду. Это означает, что осциллограммы на экране обновляются 1 раз в миллисекунду, что на первый взгляд может показаться вполне достаточной величиной. Однако если коэффициент развёртки осциллографа составляет 10 нс/дел. (т.е. 100 нс на весь экран), это значит, что мертвое время осциллографа в 10 000 раз превышает длительность захваченного и отображаемого сигнала. Появится случайная аномалия в период захвата или нет — это вопрос статистической вероятности. При этом вероятность появления глитча в период мертвого времени в 10 000 раз выше, чем вероятность его попадания на экран. Таким образом, для повышения вероятности захвата редких аномалий сигнала необходимо сократить продолжительность мертвого времени осциллографа и увеличить скорость обновления сигналов на экране.

 

Рис. 2. При скорости обновления сигналов на экране 1 000 000 осциллограмм в секунду обеспечивается быстрый захват глитча с частотой появления 1 раз на миллион

 

 

Благодаря технологии MegaZoom четвертого поколения осциллографы Keysight InfiniiVision 3000T и 4000 серии X имеют самую высокую в отрасли скорость обновления сигналов на экране и, соответственно, самую малую величину мертвого времени. Осциллографы этой серии обеспечивают обновление сигналов со скоростью 1 000 000 осциллограмм в секунду. На рисунке 2 показан пример захвата с помощью осциллографа серии 4000 X очень редкой аномалии сигнала (импульсной помехи) при запуске по нарастающему перепаду входного тактового сигнала. Этот специфический глитч появляется всего один раз на миллион циклов тактового сигнала. При скорости обновления 1 000 000 осциллограмм в секунду осциллограф способен захватывать и отображать эту помеху в среднем один раз в секунду.

 

Осциллограф со скоростью обновления 50 000 осциллограмм в секунду, который многие инженеры полагают достаточно быстрым, смог бы показывать этот глитч в среднем всего один раз за 20 секунд. Если бы пользователь проводил анализ этого цифрового сигнала с помощью осциллографа, имеющего скорость обновления 50 000 осциллограмм в секунду, он бы быстро убедился, что исследуемый сигнал имеет надлежащую амплитуду и длительность перепада, и перешел бы к тестированию сигналов в другой точке еще до того, как осциллограф смог бы захватить и отобразить глитч, появляющийся с частотой 1 раз на миллион.

 

Некоторые пользователи могут возразить, что многие современные осциллографы имеют усовершенствованные режимы запуска по нарушениям сигнала, например, по длительности импульса, времени нарастания/спада или по вырожденному импульсу, которые могут использоваться для однозначного запуска по проблемным сигналам. Но как узнать, когда нужно использовать один из этих режимов, если осциллограф не обнаруживает редкие аномалии? Ведь для использования усовершенствованных режимов запуска осциллографа требуется знать хоть что-нибудь об этом проблемном сигнале.

 

Рис. 3. Осциллограф с высокой скоростью обновления сигналов на экране позволяет обнаружить редкий немонотонный перепад

 

 

На рисунке 3 показан другой пример редкой аномалии сигнала. В этом примере осциллограф Keysight серии 4000 X, имеющий скорость обновления сигналов на экране 1 000 000 осциллограмм в секунду, позволяет выявить редко появляющийся немонотонный перепад. Такие редкие события обычно проявляются в виде мерцающей осциллограммы или в виде так называемого «фантомного» сигнала, запуск по которым чрезвычайно затруднен. Осциллографы с низкой скоростью обновления сигналов, скорее всего, не смогут выявить и отобразить такую аномалию (невидимый «фантом»).

 

Рис. 4. Функция запуска InfiniiScan Zone Trigger позволяет выделить сигнал с немонотонным перепадом

 

После того, как «фантом» был выявлен, его необходимо изолировать. Как уже было упомянуто выше, запуск по таким редким событиям возможен, однако настройка такого режима запуска без должного опыта работы с осциллографами представляет определенную сложность. Но благодаря имеющейся в осциллографах серии 4000 X инновационной функции запуска InfiniiScan Zone Trigger для решения этой задачи достаточно просто нарисовать на емкостном сенсорном дисплее прямоугольник (зону) в районе аномалии (рис. 4). Теперь, когда осциллограф синхронизирован для отображения только «фантомных» сигналов, вы можете начать исследование других сигналов в устройстве с использованием второго или третьего канала осциллографа для поиска взаимосвязей и причин неполадки, и таким образом «разрушить фантом».

 

Заключение

Хотя значение полосы пропускания в реальном времени практически всегда будет главным критерием при выборе осциллографа для отладки электронных устройств, скорость обновления сигналов на экране также будет одним из важнейших параметров, поскольку она характеризует способность осциллографа выявлять редкие случайные события. Осциллографы Keysight серии InfiniiVision 4000 X обеспечивают обновление сигналов со скоростью 1 000 000 осциллограмм в секунду, что делает их лучшими для «поиска иголки в стоге сена» при исследовании аномалий сигналов. А затем, получив возможность наблюдать редкое событие, вы можете выделить проблемный сигнал с помощью функции запуска InfiniiScan Zone Trigger, просто нарисовав прямоугольник в районе аномалии. И если высокая скорость обновления сигналов на экране осциллографа помогает выявлять дефекты сигнала, то функция InfiniiScan Zone Trigger позволяет затем быстро и просто осуществлять по ним запуск. 

С появлением новых редакций спецификаций и ростом скорости передачи данных совершенствуются и спецификации приёмников шины PCI Express®. Например, параметры приёмника нормируются при скоростях обмена 2,5 ГТ/с (Гигатранзакций/с) и 5 ГТ/с в опорной точке за пределами чипсета PCI Express, содержащего этот приемник, или при скоростях обмена 8 ГТ/с и 16 ГТ/с в опорной точке внутри чипсета. Требования к тестированию приёмников с помощью искажённых испытательных сигналов разрабатываются более детально и с большим уровнем сложности. Три основных уровня спецификаций PCI Express, разные категории тестируемых устройств и разные режимы работы являются источниками различий в схемах измерения и методиках тестирования. Учесть все эти нюансы и правильно настроить стенд для тестирования приёмников может оказаться весьма непростой задачей.

 

На основе статьи Торстена Гёцельманна, инженера компании Keysight Technologies (Thorsten Götzelmann ThorstenG)

Из Википедии:

PCI Express, или PCIe, или PCI-E (также известная как 3GIO for 3rd Generation I/O) — компьютерная шина (хотя на физическом уровне шиной не является, будучи соединением типа «точка-точка»), использующая программную модель шины PCI и высокопроизводительный физический протокол, основанный на последовательной передаче данных.

 

Разработка стандарта PCI Express была начата фирмой Intel после отказа от шины InfiniBand. Официально первая базовая спецификация PCI Express появилась в июле 2002 года. Развитием стандарта PCI Express занимается организация PCI Special Interest Group.

Спецификации PCI Express

Базовые спецификации

Базовые спецификации PCI Express составляют основу всех версий стандарта PCI Express. С точки зрения физического уровня они описывают характеристики передатчика, канала и приёмника, а также возможные схемы тактирования и логические субблоки. Каждый производитель изделий с PCI Express использует модель, привязанную к базовым спецификациям. Базовые спецификации в большей части относятся к испытаниям чипсета. Они описывают как синхронный, так и асинхронный режим работы. Существуют три основные схемы тактирования: общая тактовая частота (CC), которая является синхронной, частота тактирования данных (DC), которая может быть синхронной или асинхронной, и независимая тактовая частота (IR), которая является асинхронной. Изначально асинхронная работа допускалась только в случае, если не используется тактирование с распределённым спектром (SSC). Асинхронный режим работы в присутствии SSC была представлена в начале 2013 г. Для описания такого режима без SSC используется термин «отдельное тактирование без SSC» (SRNS), а для описания режима с SSC используется термин «отдельное тактирование с независимым SSC» (SRIS). Для синхронного и асинхронного режимов работы определены разные требования к тестированию для скоростей 8 ГТ/с и 16 ГТ/с.


Спецификации CEM

Самой распространённой моделью применения PCI Express является, вероятно, слот расширения PCI Express, определённый в электромеханических характеристиках платы PCI Express (CEM). В процессе тестирования приёмников надо учитывать два разных типа устройств: платы расширения и материнские (системные) платы. CEM использует только синхронный режим работы и является единственной экосистемой PCI Express, предлагающей обязательную программу сертификации соответствия стандарту, включая тесты физического уровня. Все устройства, входящие в перечень интеграторов PCI-SIG, должны проходить проверку соответствия в одной из испытательных лабораторий PCI-SIG. Необходимые тесты соответствия физического уровня определены в спецификации тестирования архитектуры физического уровня PCI Express (CTS). Тесты CTS разработаны так, чтобы их можно было выполнять в лабораторных условиях.
В результате тестирование приёмников согласно CTS может оказаться не столь строгим и менее сложным, чем тестирование согласно базовым спецификациям.

 

Спецификации тестирования физического уровня (M-PHY)

M-PCIe заменяет физический уровень PCI Express физическим уровнем, определённым для M-PHY. Следовательно, тесты приёмника должны выполняться в соответствии со спецификацией M-PHY, а не спецификацией PCI Express. M-PHY – это физический уровень, определённый Альянсом MIPI®.

 

Требования к тестированию приёмников PCI Express

Требования к тестированию и методы калибровки не одинаковы для разных скоростей передачи данных. В спецификации PCIe 3.0 опорная точка переносится внутрь чипа, и структура искажённого испытательного сигнала становится сложнее. Кроме того, используемая для тестирования приёмников методология, описывающая межсимвольные помехи в канале, отличается для скоростей 2,5/5 ГТ/с и 8/16 ГТ/с.

 

Также требования к тестированию определяют обратную совместимость. То есть, устройство, способное работать на более высоких скоростях, должно быть совместимым и с меньшими скоростями передачи данных.


PCI Express 2,5 ГТ/с

Спецификации приёмника определены на выводах приёмника. Спецификации идентичны для разных схем тактирования и для синхронного и асинхронного режимов работы. Определена только простая маска приёмника. Поскольку спецификации случайного джиттера (RJ) отсутствуют, обычно используются значения RJ, определённые для скорости 5 ГТ/с. Тестирование по базовым спецификациям не требует внесения предыскажений, а вот тестирование в соответствии с CEM – требует.

 

Факторы, определяющие наихудшие условия:

  • Межсимвольные помехи (ISI) через внешний канал. Межсимвольные помехи должны быть основным компонентом детерминированного джиттера (DJ). Для тестов CEM нужна базовая плата для проверки соответствия PCI-SIG (CBB) и плата нагрузки для проверки соответствия (CLB). Плату CBB для gen1 и gen2 следует сконфигурировать так, чтобы её можно было использовать для тестирования приёмников
  • Случайный джиттер (RJ)
  • Для обеспечения необходимого закрытия глаза межсимвольные помехи дополняются синусоидальным джиттером (SJ)
  • Синфазная синусоидальная помеха (CM-SI), только для базовых спецификаций

 

PCI Express 5 ГТ/с

Спецификации приёмника также определены на выводах приёмника. Базовые спецификации определяют разные параметры для приёмников, использующих CC или DC. Спецификации CEM не применяют CM-SI, но добавляют второй высокочастотный тон джиттера. Для сценариев применения CC определён остаточный SSC (rSSC); rSSC представляет собой треугольную фазовую модуляцию, применяемую только к искажённому испытательному сигналу, но не к опорной тактовой частоте. Он определяет собой наихудшие условия, в которых может оказаться приёмник между SSC опорной тактовой частоты и SSC входного сигнала данных.

 

Факторы, определяющие наихудшие условия:

  • Межсимвольные помехи через внешний канал. Межсимвольные помехи должны быть основным компонентом регулярного джиттера. Для тестов CEM нужна базовая плата для проверки соответствия PCI-SIG (CBB) и плата нагрузки для проверки соответствия (CLB). Плату CBB для gen1 и gen2 следует изменить так, чтобы её можно было использовать для тестирования приёмников.
  • Отфильтрованный по спектру случайный джиттер (sRJ) с большей амплитудой для частотного спектра до 1,5 МГц и меньшей амплитудой для частотного спектра от 1,5 до 100 МГц
  • Для обеспечения необходимого закрытия глаза межсимвольные помехи дополняются синусоидальным джиттером (SJ)
  • SSC:
    • rSSC используется для реализаций на основе CC, кроме тестирования систем на основе CEM, поскольку SSC определяется тактовой частотой системы
    • SSC используется для реализаций на основе DC
  • CM-SI, только для базовых спецификаций
  • Вторичный высокочастотный тон SJ только для спецификаций CEM

 

PCI Express 8 ГТ/с


Рис. 1. Опорная точка TP2-P, определённая в спецификациях приёмника PCIe 8 ГТ/с

 

Повышенная скорость передачи практически по тому же каналу делает необходимой коррекцию приёмника, поэтому тестирование приёмника приобретает большую важность. Спецификации приёмника описываются более подробно и определяются внутри приёмника после корректоров (CTLE и DFE). Эта опорная точка называется TP2-P. Вследствие сдвига определения опорной точки, для калибровки искажённого испытательного сигнала приходится применять встраивание поведенческого пакета приёмника, а также имитацию корректирующих цепей и восстановление тактовой частоты.


Рис. 2. Пример схемы для тестирования приёмника плат расширения PCIe 8 ГТ/с

 

 

Факторы, определяющие наихудшие условия:

  • Межсимвольные помехи через внешний канал. Для тестов CEM нужна базовая плата для проверки соответствия PCI-SIG (CBB), переходник и плата нагрузки для проверки соответствия (CLB) для gen3 для длинного канала и CBB gen2 для короткого канала
  • Случайный джиттер с фильтром верхних частот 10 МГц
  • Синусоидальный джиттер, разные маски допуска джиттера для CC и SRNS/SRIS
  • SSC, только для SRIS:
    • Треугольное распределение в нижнюю сторону на 33 кГц для тестирования с предельным напряжением
    • Синусоидальное распределение в нижнюю сторону на 33 кГц для тестирования с предельным джиттером
  • DM-SI
  • CM-SI, только для базовых спецификаций

 

После улучшения физических возможностей приёмников PCIe, в процедуру обучения канала была добавлена оптимизация коррекции передатчика, которая учитывает характеристики текущего канала, передатчика и приёмника.

 

PCI Express 16 ГТ/с

PCI Express 4-го поколения будет поддерживать скорость 16 ГТ/с. Спецификации 4.0 ещё не выпущены, и в настоящее время работа над ними продолжается. Тем не менее рабочие группы PCI-SIG, работающие над версией 4.0 и спецификациями приёмника 16 ГТ/с, скорее всего, будут следовать методам калибровки приёмников 8 ГТ/с с улучшениями, направленными на повышение совместимости между разными схемами испытаний. Настройка ширины и высоты глазка по случайному джиттеру и DM-SI в процессе калибровки приёмника PCIe 8 ГТ/с в сочетании с допуском на полосу канала ±2 дБ, видимо, будет проблематичной. Схемы с меньшими потерями могут потребовать значительно большего случайного джиттера для закрытия глаза до заданных значений по сравнению со схемами с высокими потерями. Но большинство приёмников лучше справляется с межсимвольными помехами, вызванными потерями в канале, чем со случайным джиттером, и в результате две схемы измерения могут создать несовместимые условия испытаний. Для исправления этой ситуации стандарт ужесточает допуски для испытательных каналов, требуя некоторого рода настройки межсимвольных помех, например, путём выбора канальных плат с разным значением межсимвольных помех.

 

Предварительные факторы, определяющие наихудшие условия:

  • Межсимвольные помехи через настраиваемый или выбираемый внешний канал. Тестирование CEM, вероятно, потребует применения тестовой оснастки, разрабатываемой и поставляемой PCI-SIG
  • Случайный джиттер с фильтром верхних частот 10 МГц
  • Синусоидальный джиттер, разные маски допуска джиттера для CC и SRNS/SRIS
  • SSC, только для SRIS:
    • Треугольное распределение в нижнюю сторону на 33 кГц для тестирования с предельным напряжением
    • Синусоидальное распределение в нижнюю сторону на 33 кГц для тестирования с предельным джиттером
  • DM-SI
  • CM-SI, только для базовых спецификаций

 

Тестирование коррекции канала

Для тестирования новой процедуры коррекции канала, представленной в PCIe 3.0, следует создать новую категорию тестов. Эта новая категория тестов коррекции канала требует наличия в контрольно-измерительном оборудовании функций канального уровня, поскольку в этих тестах должны проверяться соответствующие каскады машины состояний обучения канала (LTSSM), которые в этом случае пропускать уже нельзя. Вместо использования интеллектуальной последовательности, которая выглядит как установка соединения с разными шагами обучения, нужно дополнить тестеры коэффициента битовых ошибок (BERT) функциями LTSSM. Классические BERT, в которых генераторы последовательностей, частотные корректоры и детекторы/анализаторы ошибок являются совершенно отдельными блоками или даже отдельными приборами, будут обладать недостаточным временем отклика, и могут вообще не справиться с этой задачей. Поэтому тестеры новых поколений объединяют все три функции в одном приборе.

 

Тесты коррекции канала могут отличаться для приёмников и передатчиков. Тесты приёмников мало отличаются от классических тестов приёмников за исключением того, что приёмник тестируемого устройства «договаривается» с передатчиком BERT о частотной коррекции и настройке предварительного подъёма характеристики, используемых для тестирования данного приёмника. Калибровка искажённого испытательного сигнала идентична классическому тесту приёмников 8 ГТ/с.

 

Тестирование коррекции канала передатчика фокусируется на двух факторах:

  • Фактическая форма сигнала, основанная на запросах партнёра по каналу. Это включает изменения фактической формы сигнала, а также гарантирует, что сигнал отвечает требованиям целевых спецификаций
  • Время реакции на запросы изменения со стороны партнёра по каналу. Оно складывается из времени логического ответа и времени физического ответа. Временем логического ответа называется время между запросом на изменение и отправкой подтверждения партнёру, тогда как временем физического ответа называется время от запроса на изменение до реального изменения формы сигнала.

 

Заключение

С каждой новой редакцией стандарт PCI Express расширяет пределы возможностей передачи данных по каналам, реализованным на платах из стеклотекстолита FR4, и поэтому приёмники постоянно усложняются. В результате приходится применять контрольно-измерительное оборудование с большим набором возможностей и более сложные схемы тестирования. Производители контрольно-измерительного оборудования вынуждены реагировать на эти новые требования. Хорошим примером является развитие систем BERT компании Keysight Technologies. Например, система J-BERT M8020A BERT наглядно демонстрирует интеграцию классических компонентов BERT в одном приборе, что позволяет получить новые возможности, такие как LTSSM, нацеленные на преодоление новых сложностей тестирования.

 


PCIe и PCI Express являются зарегистрированными товарными знаками PCI-SIG®.
MIPI является зарегистрированным в США и других странах товарным знаком MIPI, Inc.

Потребность в широкополосных услугах связи растет в геометрической прогрессии. Когерентная обработка оптического сигнала и использование современных форматов цифровой модуляции позволяют существенно повысить пропускную способность сетей с 10 Гбит/с и 40 Гбит/с до 100 Гбит/с и еще более высоких значений. Так, например, уже созданы оптические супер-каналы как совокупность небольших более мелких оптических каналов, обеспечивающих пропускную способность 400 Гбит/с и выше. Вопрос измерительной техники для исследования когерентных оптических сетей приобретает все большую актуальность.


Детектирование оптических сигналов с амплитудной модуляцией

В отличие от предыдущего поколения высокоскоростных оптических сетей, когда использование амплитудной манипуляции для модуляции амплитуды оптической несущей на высоких скоростях передачи данных было достаточно, современные оптические каналы связи, следуя за индустрией беспроводной связи, переходят к использованию форматов модуляции более высокого порядка (рис. 1).

 


Рис. 1. Развитие пропускной способности волоконно-оптических систем связи

 

Сложные форматы модуляции выходят за рамки амплитудной манипуляции посредством кодирования информационных символов как по амплитуде, так и по фазе. В системах с амплитудной модуляцией (OOK - on/off keying) мы можем детектировать сигнал с помощью фотодиода, который преобразует оптическую мощность в электрический ток Iphoto. Возникающий в фотодиоде фототок Iphoto прямо пропорционален произведению величины оптического сигнала S на комплексно-сопряженное с ним значение S*.

 


Рис. 2. Непосредственное детектирование: фототок Iphoto содержит информацию только об амплитуде оптического сигнала


Из уравнения на рис. 2 следует, что результат содержит только амплитуду As. Ток Iphoto не несет никакой информации о круговой частоте ws и фазе Φs. Таким образом, показанный сигнал с квадратурной фазовой манипуляцией (QPSK) во временной области нельзя однозначно сопоставить с диаграммой IQ. Можно лишь сказать, что нижняя, пересекающая нуль кривая, представляет диагональные переходы между четырьмя точками созвездия, а средняя кривая – внешние переходы. Плоский сигнал соответствует случаям, когда фаза не меняется, то есть когда за символом следует такой же символ.

 

Для однозначного определения переходов между символами нужно использовать более сложные методы, обеспечивающие полное детектирование всех электрических характеристик сигнала, включая информацию о фазе. Дополнительно усложняет проблему тот факт, что в современных оптических коммуникационных системах используются длины волн, близкие к инфракрасному диапазону, например, 1550 нм, что соответствует частоте около 200 ТГц. Таким образом, скорость изменения электрического поля во времени и пространстве на несколько порядков выше скорости работы имеющихся электронных устройств, работающих в мега- и гигагерцовом диапазоне.


Когерентное детектирование оптических сигналов

Ключ к решению этой проблемы - измерение не абсолютной фазы, а фазы по отношению к известному опорному сигналу. Базовая схема такого детектора, называемого когерентным, показана на рис. 3. Смешение полезного сигнала S с опорным сигналом R позволяет измерять разность фаз. На диаграммах показан сигнал с модуляцией QPSK, смешанный с разными опорными сигналами. «Идеальный» монохроматический лазер, создающий опорный сигнал R, часто называют «гетеродином» по аналогии с радиоэлектроникой.

 


Рис. 3. Смешение полезного сигнала S с опорным сигналом R


Конечно, технология когерентного детектирования не нова, она использовалась в сфере радиовещания десятилетия назад. Благодаря ей приемник можно было настроить на прием определенной радиостанции, распознав ее среди сотен различных сигналов, передаваемых по радиоволнам. Но идея использовать когерентное детектирование для практического применения в сфере оптической передачи данных была реализована сравнительно недавно.

 

Притом что нет «стандартного» определения когерентного детектирования в сетях, например, DWDM, существуют определенные рыночные ожидания относительно номинальных признаков, характерных для развертывания решения с применением когерентных технологий: амплитудная/фазовая модуляция высокого порядка, поляризационное мультиплексирование, когерентное детектирование посредством лазера гетеродина в приемнике, высокоскоростные аналогово-цифровые преобразователи и сложные цифровые сигнальные процессоры в приемнике. Кроме наличия перечисленных ключевых признаков, когерентные технологии демонстрируют потенциал дальнейшего развития, поэтому в следующих поколениях этой технологии мы, возможно, увидим функции активного формирования сигнала в передатчике (с использованием аналого-цифрового преобразователя) и компенсацию нелинейных эффектов в оптоволокне.

 

Итак, полезный сигнал S и опорный сигнал R подаются на оптический сумматор и детектируются фотодиодом. В результате ток IPhoto будет пропорционален произведению суммы двух сигналов R+S и комплексно-сопряженной с ней величины R+S*.

 

Уравнение на рис. 3 показывает, что результат содержит разность фаз ΔΦ= ΦS-ΦR и разность частот Δω =ωS-ωR. Из значения ΔΦ мы можем получить зависимость ΦS от времени. Опорная частота ωR выбирается близкой к частоте ωS, в результате Δω теперь получается достаточно малой для электронной обработки. Фазозависимый член формулы называется гетеродинной составляющей или биением, поскольку получается в результате наложения или «биения» двух сигналов с близкими круговыми частотами.

 

Также в формуле имеется член, содержащий квадрат амплитуды, который не оказывает влияния на результат, если модулируется только фаза, а амплитуда остается неизменной, что и происходит в модуляции QPSK. Как показано на рис. 3, смешение полезного сигнала S с опорным сигналом R позволяет измерять разность фаз. На диаграммах показан сигнал с QPSK, смешанный с разными опорными сигналами. Подавить все другие фазонезависимые составляющие возможно с помощью балансного приемника. В этом случае детектируемый сигнал S и опорный сигнал R суммируются в одной ветви и вычитаются в другой ветви оптического сумматора 2x2 (в качестве которого может использоваться сумматор волоконно-оптической или атмосферной оптической линии). Каждый из результирующих сигналов детектируется своим фотодиодом. В результате получается разность между двумя фототоками.


IQ-демодуляция и когерентное детектирование

Чтобы восстановить информацию о фазе и амплитуде, когерентный приемник должен выдавать на двух отдельных выходах синфазную (I) и квадратурную (Q) составляющие. Для этого нам понадобится второй балансный детектор. Один гетеродин дает опорный сигнал для двух детекторов, но для получения составляющей Q нужно сдвинуть фазу на π/2. Блок-схема демодулятора для поляризационно-мультиплексированного сигнала приведена на рис. 4. В этом случае для получения координат I и Q используются четыре выходных сигнала, по одному на каждое направление поляризации по отношению к поляризации опорного сигнала приемника. Такая архитектура с разделением поляризации гарантирует смешение всех сигналов с сигналом гетеродина независимо от поляризации на входе. Поэтому эта схема используется очень широко и даже для сигналов, не имеющих двойной поляризации.

 


Рис. 4. IQ-демодулятор с разделением поляризации на две составляющие


Вопрос измерительной техники для исследования когерентных оптических систем передачи данных стоит на сегодняшний день очень остро, особенно при решении таких задач, как определение параметров целостности сигналов передатчиков, определение параметров гомодинных компонентов, оценка параметров компонентов сети. Принцип детектирования комплексно модулированных оптических сигналов с двойной поляризацией, иллюстрированный рис. 4, замечательно подходит для контрольно-измерительной техники, поскольку методы гетеродинного детектирования во временной области предлагают максимальную гибкость, и в отличие от детектирования в частотной области их можно использовать для детектирования в реальном масштабе времени. Следовательно, они более пригодны для «живых» сигналов в сетях передачи данных. Дискретизация в эквивалентном масштабе времени (стробоскопический метод) работает только для периодически повторяющихся сигналов ограниченной длины, например, в контрольно-измерительных сценариях.

Дискретизация в реальном масштабе времени позволяет полностью восстановить сигнал во всех областях без ограничений по формату модуляции. В методах гетеродинного детектирования во временной области отсутствуют также и ограничения на длину сигнала. В ходе обработки сигнала можно компенсировать поляризационно-модовую (PMD) и хроматическую дисперсию (CD). В этом случае пропускная способность ограничивается только обработкой сигнала. В то же время нужно помнить, что этот метод требует применения быстрого четырехканального оборудования, такого как высокопроизводительный дигитайзер реального времени с очень малыми уровнями джиттера и шума и высоким эффективным числом разрядов (ENOB) во всем частотном диапазоне.

 

В следующей статье по теме мы рассмотрим все нюансы, связанные с разработкой когерентных оптических приёмников, и постараемся дать исчерпывающий ответ на все вопросы, касающиеся этих компонентов оптических сетей, использующих когерентные передачу и прием.