Skip navigation
All Places > Keysight Blogs > Keysight Russia > Blog

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.

Построение систем 5G и IoT из серийно выпускаемых компонентов

Хау-Сянг Яп (How-Siang Yap), Keysight Technologies, Inc.

Аннотация. Данная статья рассказывает о том, как наиболее эффективно моделировать ВЧ системы для технологий мобильной связи 5го поколения (5G) и приложений интернета вещей (IoT), используя серийно выпускаемые компоненты и быстрый синтез многокаскадных схем согласования импеданса на печатных платах.

 

5G - это грядущее пятое поколение радиосетей мобильной связи, работающих в диапазоне от 24 до 95 ГГц. Это поколение обещает чрезвычайно высокие скорости передачи данных по радиоканалу, например, передачу видеопотоков для телевидения сверхвысокой чёткости 4k/8k. Другим быстроразвивающимся приложением беспроводных технологий является интернет вещей (IoT). IoT это подключение к сети окружающих нас вещей – от бытовых приборов до промышленных датчиков и систем отслеживания грузов в мировом масштабе. По прогнозам к 2020 году к сети будет подключено более 50 миллиардов объектов IoT. Всё это создаст огромную нагрузку на радиоинженеров, вынуждая их быстро проектировать и выпускать продукты 5G и IoT, чтобы успешно конкурировать на рынке.

 

Моделирование ВЧ-систем 5G на частоте 28 ГГц

 

Проектирование и построение ВЧ-систем, работающих на частоте 24 ГГц и выше, связано с определёнными проблемами из-за паразитных эффектов межсоединений в печатной плате, взаимовлияния компонентов и отсутствия моделей новых компонентов для моделирования на уровне системы. Использование электронных таблиц для оценки характеристик системы и последующее макетирование на макетных платах с помощью реальных элементов обходится очень дорого, отнимая много времени, требуя множества приборов и значительной трудоёмкости на каждую итерацию.

 

Однако теперь появилась эффективная возможность проектировать, создавать прототип и налаживать производство законченной ВЧ системы за один цикл без лишних итераций, и эта возможность иллюстрируется приведённым ниже примером. На рисунке 1 показана структурная схема системы с входным сигналом 28 ГГц и двумя гетеродинами 22 ГГц и 7 ГГц, понижающими частоту до промежуточной частоты 1 ГГц. Структурная схема смоделирована в системе Keysight Genesys Spectrasys, причём системные блоки моделировались следующим образом:

 

  • X-параметры для нелинейных цепей
  • Поведенческие модели устройств на основе системных параметров Keysight Sys-parameters, описывающих характеристики отдельных узлов системы в зависимости от частоты, смещения и температуры
  • S-параметры для линейных цепей
  • Поведенческие модели, описанные уравнениями

 

Рисунок 1. Приёмник 5G на 28 ГГц с двойным преобразованием до промежуточной частоты 1 ГГц. Моделировался с помощью системного ВЧ симулятора Keysight Genesys.

 

Технология моделирования ВЧ-систем прошла долгий путь, оставив далеко позади использование электронных таблиц. Повышение точности и расширение диагностических возможностей просто невероятны. Примеры таких улучшений включают идентификацию происхождения составляющих спектра, расчёт нелинейной интермодуляции, определение того, какие системные блоки и их характеристики при подаче на вход ВЧ сигнала с цифровой модуляцией вносят вклад в ухудшение таких параметров, как модуль вектора ошибки (EVM), коэффициент битовых ошибок (BER) и соотношение мощностей соседнего и основного канала (ACPR).

На рисунке 2 показ ан анализ зависимости
EVM от расположения системных компонентов, который позволяет мгновенно выявлять основные причины деградации EVM, такие как фазовый шум гетеродина и нелинейность смесителей и усилителей. Щёлкнув на подозреваемом компоненте, можно настроить его параметры и улучшить характеристики системы. Это позволяет выбрать оптимальное расположение системных компонентов, избегая чрезмерного их сближения или разнесения, и достичь наилучших характеристик при минимальных затратах.

 

Рисунок 2. Новейший метод анализа амплитуды вектора ошибки позволяет выявить компоненты, вызывающие деградацию ВЧ сигналов с цифровой модуляцией, и исключить дорогостоящие итерации в процессе создания прототипа.

Определение характеристик на этапе проектирования и последующий поиск реальных компонентов, обладающих такими характеристиками, на этапе реализации является широко распространённым, но неэффективным подходом, который неизбежно порождает необходимость в нескольких итерациях. Sys-параметры, представляющие собой  поведенческие модели реальных серийных компонентов, или X-параметры нелинейных компонентов могут непосредственно использоваться в ВЧ моделировании, и в результате к концу проектирования компоненты будут уже определены и проверены на работоспособность в системе. После этого система готова к аппаратной реализации.

 

Построение систем 5G из серийно выпускаемых компонентов

 

Рисунок 3. Аппаратный прототип приёмника 28 ГГц, использующий X-блоки из X-Microwave. Вы получаете то, что моделируете, без расхождений, вызванных паразитными связями или неточными моделями.

 

В конструкции приёмника 5G на 28 ГГц использовались серийно выпускаемые компоненты таких производителей, как Mini-circuits, Analog Devices, Qorvo, Marki, и Avago, реализованные в виде модулей X-Microwave, как показано на рисунке 3. Все модули, называемые X-блоками, включают необходимые внешние цепи питания и пассивные периферийные компоненты для таких активных устройств, как гетеродины, смесители и усилители. Они характеризуются моделями X-параметров на основе измерений или моделями на основе Sys-параметров, что позволяет точно моделировать их применение в реальной системе. Модули представляют собой печатные платы с компонентами поверхностного монтажа, соединенные между собой посредством термокомпрессионного метода без пайки, что обеспечивает надёжную работу в диапазоне до 67 ГГц. Измерительные разъёмы 1,9 мм тоже закреплены термокомпрессией, поэтому X-блоки можно использовать повторно без повреждения. Когда сборка прототипа завершена, такую же композитную топологию можно использовать в производстве, поскольку все компоненты располагаются на аналогичной многослойной подложке.

 

Измеренные параметры системы соответствуют смоделированным, как показано на рисунке 4, разница объясняется погрешностью измерений на векторном анализаторе сигналов.

 

Входная мощность, дБм

Измеренная EVM, % ср.кв.

Оценка EVM, % ср.кв.

-50

1,8

2,2

-60

3,1

3,5

-70

9,3

9,3

-75

17,9

16,3

-78

20,0

22,9

Таблица. Сравнение измеренного и смоделированного модуля вектора ошибки для разной входной мощности. Наблюдается превосходная корреляция в пределах погрешности измерительных приборов.

 

Проектирование для интернета вещей

 

Для IoT разрабатывается несколько стандартов, отличающихся зоной покрытия, полосой передачи данных и рабочей частотой. Рабочие частоты IoT обычно подразделяются на 2 категории: нижние и верхние, а именно в диапазонах ISM 2,4 ГГц и 5,8 ГГц (диапазон для промышленного, научного и медицинского применения). С точки зрения проектирования физических радиоканалов IoT, работающих в этих частотных диапазонах, основной упор должен делаться на согласование импеданса чипсета IoT с антенной. Для увеличения дальности действия можно включать усилители между чипсетом и антенной.

 

В идеале схема согласования импеданса должна быть компактной и недорогой. Многокаскадные схемы, согласующие импеданс в широкой полосе частот (30 % и более) со сложными частотно-зависимыми импедансами таких устройств, как антенны, измеренными S-параметрами чипсетов IoT или нестабильными не-однонаправленными усилителями на дискретных транзисторах, чрезвычайно сложно рассчитать с помощью традиционной диаграммы Смита или методом проб и ошибок.

 

Рисунок 5. Синтез схемы согласования импеданса и микрополосковая топология 3-каскадной согласующей схемы, работающей в диапазоне от 2 до 3 ГГц и позволяющей достичь обратных потерь –20 дБ и усиления 35 дБ, выполняется менее чем за час.

 

Более эффективный подход заключается в применении автоматического синтеза согласующей схемы, который использует для решения упомянутых выше сложных случаев согласования несколько методов – от простых Т-образных схем до метода «реальных частот» (real frequency). Поскольку такой синтез может выполнять сложные одновременные многокаскадные согласования в считанные секунды с помощью цепей с распределёнными или сосредоточенными параметрами, разработчики IoT могут быстро опробовать несколько многокаскадных вариантов и выбрать из них наиболее экономичный. На рисунке 5 показаны результаты одновременного синтеза 3-каскадной схемы, согласующей антенну с малошумящим стабилизированным транзисторным усилителем, с последующим измерением S-параметров чипсета усилителя мощности. В результате этого синтеза удалось получить обратные потери –20 дБ в диапазоне от 2 до 3 ГГц при усилении 35 дБ. Кроме того, были синтезированы размеры микрополосковой топологии с автоматической вставкой неоднородностей, таких как Т-образные соединения и разомкнутые шлейфы. Весь процесс занял менее часа.

 

Теперь ВЧ-системы для приложений 5G и IoT можно эффективно моделировать, создавать их прототипы и изготавливать из серийно выпускаемых компонентов, благодаря революционным диагностическим функциям, позволяющим выявлять компоненты с неподходящими параметрами. Точные модели X- и Sys-параметров для серийно выпускаемых ВЧ компонентов позволяют эффективно получать то, что вы моделировали, на всех этапах – от проектирования до создания прототипа и производства, причём без лишних итераций. Синтез согласующих цепей заменяет сложную ручную разработку и оптимизацию мгновенным выбором нескольких подходящих согласующих топологий, позволяющих получить наиболее экономичную реализацию. Дополнительную информацию можно найти на сайтах www.keysight.com/find/eesof-genesys-info и www.xmicrowave.com.

 

Данная статья на русском языке была опубликована  журнале «Беспроводные технологии» № 6, декабрь 2016». http://wireless-e.ru/

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.

Мы рады сообщить, что теперь наша новая книга по ADS с пошаговыми руководствами и демонстрационными примерами доступна на русском языке !

 

 

Скачать каждую из глав можно по ссылкам ниже.

 

Глава 1 - Начало работы с системой проектирования Advanced Design System (ADS)

Глава 2 - Подстройка и оптимизация 

Глава 3 – Симуляция методом гармонического баланса

Глава 4 - Планарная электромагнитная симуляция в ADS 

Глава 5 - Разработка РЧ-систем 

Глава 6 - Разработка СВЧ-фильтра на дискретных элементах и микрополоскового СВЧ-фильтра

Глава 7 - Разработка ответвителя на дискретных элементах и микрополоскового ответвителя

Глава 8 - Разработка микрополоскового делителя мощности и делителя мощности на копланарных волноводах

Глава 9 - Разработка СВЧ усилителя и создание схем согласования импедансов

Глава 10 - Разработка активного смесителя

 

 

Новый подход к анализу целостности сигналов и качества питания с помощью решений SIPro и PIPro в САПР ADS

 

Стефан Слейтер (Stephen Slater), Keysight Technologies, Inc.

 

Стремясь обеспечить многогигабитные скорости передачи данных в системах передачи данных и высокопроизводительных абонентских устройствах, получивших сегодня широкое распространение, разработчики сталкиваются с невероятным набором проблем. Искушённые потребители ожидают, что эти системы и устройства будут работать так, как обещано. Но чтобы это стало возможным, нужны быстрые и надёжные каналы, а это значит, что инженеры вынуждены тщательно моделировать и анализировать целостность сигналов и качество питания, и зачастую выполнять это как две разные операции. Недавно компания Keysight Technologies представила две инновационные технологии для последней версии системы автоматизированного проектирования электронных устройств – САПР ADS 2016, которые позволили по-новому взглянуть на анализ целостности сигналов и качества питания, предложив единый технологический процесс для выполнения обеих операций с высокой точностью и достоверностью.

 

Рисунок 1. Новая версия САПР ADS включает решения SIPro и PIPro, которые обеспечивают взаимосвязь различных технологий в единой среде.

 

Проблемы надёжности

Показатели целостности сигналов и качества питания оказывают огромное влияние на качество и надёжность электронных устройств и систем. Инженеры, пренебрегающие точным моделированием и анализом своих конструкций, могут не заметить и не устранить проблемы на ранних этапах проектирования, а это чревато тем, что их устройства или системы не заработают должным образом в реальных условиях. Зачастую многие часы, проведённые за оборудованием в попытках выявить причины, можно легко заменить моделированием. Наиболее часто встречающимися проблемами в платах  являются перекрёстные помехи и паразитные резонансы.

 

Проблема в том, что хотя измерения целостности сигналов и качества питания тесно связаны и преследуют одну и ту же цель – обеспечение высокой пропускной способности канала и надёжности системы в целом – они обычно считаются разными операциями. Кроме того, для выполнения этих измерений обычно используются разные средства электромагнитного моделирования; возможно даже от разных производителей.

 

Основной недостаток такого подхода, кроме стоимости каждого программного пакета, в том, что инженер должен изучить два разных интерфейса. Это значит, что в процессе проектирования инженер должен постоянно переключаться между различными средами, что занимает много времени и порождает ошибки. А поскольку эти два измерения могут выполняться разными инженерами с помощью разных средств, согласование результатов может быть затруднено.

 

Другая проблема кроется в том, что инженеры обычно тратят долгие часы на ручную оптимизацию или сокращение размера своих устройств, поскольку универсальные средства электромагнитного (ЭМ) моделирования ограничены по скорости и возможностям. Нередко эта задача решается с помощью медленного и утомительного процесса удаления некоторых слоёв и цепей последовательно для каждого функционального узла схемы.

 

Быстрый и точный анализ

В отличие от современных универсальных средства ЭМ моделирования, новые решения SIPro и PIPro, входящие в состав САПР ADS специально предназначены для того, чтобы помочь инженерам в улучшении характеристик высокоскоростных линий передачи данных на печатных платах. SIPro позволяет выполнять полный ЭМ анализ и извлечение моделей высокоскоростных линий на больших и сложных печатных платах, тогда как PIPro используется для полного ЭМ анализа цепей питания, включая анализ падения напряжения на постоянном токе, анализ импеданса на переменном токе и анализ резонансов в цепях питания. Оба приложения работают в среде САПР ADS и позволяют получить результаты быстрее, чем универсальные средства ЭМ моделирования, обеспечивая при этом более высокую точность.

 

Для достижения точности на высоких частотах и высокой скорости, необходимой для анализа печатных плат с плотной топологией, SIPro использует комплексную ЭМ технологию. С помощью этого решения инженеры могут измерить сразу всю плату путём моделирования потерь и взаимовлияния сигнальных цепей, цепей питания и цепей земли. Измеряется также связь между переходными отверстиями и переходные эффекты в переходных отверстиях, точно моделируются процессы возврата тока по цепям земли, влияние прорезей и отверстий в слоях питания и земли. Извлечённая в результате точная ЭМ модель легко встраивается в симуляцию переходных процессов и симуляцию канала САПР ADS, позволяя выполнять полный анализ линий передачи.

 

Поскольку решение SIPro опирается на схемотехническую модель, ориентированную на измерение целостности сигналов и качества питания, оно настраивается значительно быстрее и работает куда эффективнее универсальных средств ЭМ моделирования. И поскольку это решение использует несколько технологий ЭМ моделирования, оно обеспечивает точность, сопоставимую с точностью стандартных 3D ЭМ симуляторов, зачастую затрачивая на полное 3D ЭМ моделирование значительно меньше времени (рисунок 2). Если сравнить это решение с моделированием на основе метода конечных элементов (FEM), который в настоящее время считается эталонным, то можно наблюдать хорошее согласование результатов при значительно меньших расходах времени и памяти, даже на высоких частотах.

Рисунок 2. SIPro обеспечивает точность, сравнимую с точностью 3D ЭМ симуляторов при значительно меньших затратах времени.

 

Как и SIPro, PIPro тоже представляет собой решение на базе ЭМ моделирования. Оно обеспечивает точный и эффективный анализ с использованием трёх специализированных симуляторов. Симулятор падения постоянных напряжений генерирует таблицу постоянных напряжений и токов для всех переходных отверстий, выводов, нагрузок и регуляторов напряжения в цепях питания. На основе этой информации инженер может прогнозировать постоянные напряжения на выводах ИС, через которые втекает ток. Функция 3-мерной визуализации напряжений, плотности токов и рассеиваемой мощности в цепях питания и земли позволяет инженерам выявлять проблемные участки печатной платы (рисунок 3).

 

Рисунок 3. PIPro предлагает 3-мерную визуализацию напряжений, плотности токов и рассеиваемой мощности в цепях питания и земли.

 

Симулятор импеданса на переменном токе позволяет рассчитать частотные характеристики цепи питания с учётом сглаживающих конденсаторов. После ввода значений сглаживающих конденсаторов можно быстро выполнить повторный анализ импеданса цепи питания без дополнительного ЭМ моделирования. Результирующую извлечённую модель S-параметров можно быстро привязать к схеме вместе с моделями компонентов, что позволяет выполнить дальнейшую настройку и оптимизацию. Кроме того, симулятор обеспечивает отличное визуальное представление цепей питания с 3-мерными диаграммами поля и плотности токов.

 

Симулятор резонансов в слоях питания можно использовать для выявления собственных резонансных частот печатной платы. Кроме того, он помогает инженерам визуализировать электрические и магнитные поля печатной платы для выявления мест возникновения резонансов. Затем можно дополнительно обследовать участки платы с максимальной напряжённостью поля, что может облегчить расстановку сглаживающих конденсаторов.

 

Единый технологический процесс

Главное преимущество новых решений SIPro и PIPro для САПР ADS заключается в том, что они используют общую среду анализа, включая общий графический интерфейс, технологию обработки, базу данных моделей и представление результатов визуализации через встроенную утилиту просмотра 3D моделей. Это не только позволяет инженерам визуально обследовать цепи перед их моделированием и просматривать 3D поля после обработки, но и создаёт единую технологию оценки показателей целостности сигналов и качества питания (рисунок 4). Вместо того чтобы переключаться между разными программными инструментами, инженеры могут теперь использовать единый интерфейс для анализа целостности сигналов и качества питания. Если моделирование выполняется в одной среде, то настройку ЭМ параметров можно легко копировать из одной процедуры анализа в другую и наоборот.

 

Настройка параметров осуществляется полностью по схемотехническим принципам. Это позволяет инженерам выбирать только те цепи, которые они хотят моделировать, не затрачивая время на ручную обработку объектов топологии платы перед моделированием. А благодаря высокопроизводительным ЭМ симуляторам решений SIPro и PIPro, инженеры могут одновременно обработать большее число цепей. Благодаря новому единому технологическому процессу САПР ADS, инженеры могут перейти от топологии к получению результатов буквально за 20 щелчков.

 

Кроме того, используемый технологический процесс автоматически генерирует схему, подготавливая ЭМ модели к немедленному применению в симуляторах каналов, шин DDR и переходных процессов, работающих в САПР ADS. С помощью этих симуляторов инженеры могут выполнять анализ целостности сигналов (например, измерять контур BER) и тестировать разрабатываемые устройства на соответствие стандартам.




Рисунок 4. Новый единый технологический процесс в САПР ADS позволяет по-новому взглянуть на анализ целостности сигналов и качества питания, устраняя ограничения, свойственные подходу, в котором оценки целостности сигналов и качества питания считаются отдельными задачами проектирования, решаемыми с помощью различных универсальных средств ЭМ моделирования.

 

Заключение

Несомненно, тщательный анализ целостности сигналов и качества питания весьма важен для обеспечения оптимальной производительности высокоскоростных линий передачи данных на печатной плате. И хотя для решения этих задач можно использовать универсальные средства ЭМ моделирования, этот процесс требует значительного числа ручных операций и не способствует взаимопониманию между инженерами. Новые решения SIPro и PIPro для САПР ADS устраняют эти ограничения с помощью новой технологии ЭМ моделирования, которая предлагает точность, сопоставимую с точностью стандартных 3D ЭМ симуляторов, но позволяет получать результаты значительно быстрей. Предложенная единая технология легко передаёт ЭМ модели обратно в схему и обеспечивает лучшее взаимодействие инженеров. Совместно все эти факторы поднимают планку производительности, точности и эффективности задач моделирования и анализа целостности сигналов и качества питания. В результате современные разработчики получают возможности, необходимые для решения сложнейших проблем проектирования в кратчайшие сроки.

 

Дополнительную информацию об анализе целостности сигналов и качества питания можно найти на странице ресурсов Keysight по адресу www.keysight.com/find/eesof-ads-sipi-resources, где размещены ссылки на рекомендации по применению, технические документы, обучающие видеоролики и краткие руководства.

 

Данная статья была размещена в журнале «Современная Электроника» № 5.

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.

Нейл Форсер (Neil Forcier), Keysight Technologies | Силовая электроника

Материалы с широкой запрещённой зоной (WBG), а именно карбид кремния (SiC) и нитрид галлия (GaN), обладают целым рядом преимуществ в силовой электронике по сравнению с традиционным кремнием (Si). Самым большим преимуществом является скорость переключения, за счёт которой повышается КПД преобразования энергии и уменьшаются размеры, тогда как другие преимущества включают улучшенные тепловые характеристики и более высокие напряжения (в случае SiC).

Но, несмотря на эти преимущества, распространение материалов WBG в силовой электронике наталкивается на некоторые барьеры, включая проблемы обеспечения долговременной надёжности и снижения стоимости. В этой статье мы обсудим ещё одну преграду на пути к применению материалов WBG в силовой электронике, которому уделено пока недостаточно внимания: паразитные эффекты. Паразитные элементы для устройства на основе WBG могут оказаться «Криптонитом для Супермена». Если устройство WBG окружено слишком большим числом паразитных элементов, его характеристики могут снизиться до уровня обычного устройства на основе кремния и даже хуже: такой сценарий может привести к нестабильности схемы и некорректной работе изделия.

 

Статьи на аналогичную тему

Надёжность в производстве полупроводниковых приборов с широкой запрещённой зоной (WBG)

Полупроводники с широкой запрещённой зоной: основы

Ситуация в производстве силовой электроники: сейчас это вопрос интеграции

 

Чтобы преодолеть этот барьер, разработчикам придётся использовать незнакомые им средства проектирования и измерительные приборы. А производители этих средств проектирования и приборов вынуждены адаптировать их (с аппаратной и программной точки зрения) к требованиям электронной промышленности.

Вряд ли я скажу что-то новое, если заявлю, что минимизация паразитных эффектов, особенно индуктивностей, положительно сказывается на общих характеристиках и стабильности устройства. А для устройств WBG это утверждение особенно актуально, и число паразитных элементов, которые надо учитывать, меняется по величине почти на порядок.

Инженеры компании EPC создали прекрасный документ, который поясняет отрицательное влияние сравнительно малых индуктивностей печатной платы на характеристики силовых преобразователей на основе GaN (Reusch, Strydom, 2013). В статье приведён пример того, как незначительное увеличение паразитной индуктивности (с 0,4 нГн до 1 нГн) на печатной плате может привести к значительному увеличению выброса при использовании устройств на основе GaN на частоте переключения 1 МГц. Статья, безусловно, поднимает важные проблемы и наглядно демонстрирует представления разработчиков силовой электроники о паразитных элементах. Это представление является низкочастотным и рассматривает паразитные элементы в составе схемы, как компоненты с сосредоточенными параметрами,  или, другими словами, демонстрирует "одномерный" подход. Но такой "одномерный" подход снижает эффективность проектирования и препятствует реализации полного потенциала технологий с широкой запрещённой зоной. И такой подход, конечно же, не является приемлемым как для производителей силовых полупроводниковых приборов, так и для разработчиков силовой электроники.

Сначала давайте попробуем понять, почему "одномерный" подход к паразитным элементам не применим к устройствам WBG. Скорость нарастания при переключении устройств на основе карбида кремния достигает 100 В/нс, а устройства GaN работают ещё быстрее. Такие скорости нарастания фронтов порождают широкий спектр гармоник, который может занимать несколько сотен МГц и даже больше. Это ставит разработчиков силовых приборов и силовой электроники перед двумя основными проблемами:

  1. При разработке приходится учитывать паразитные эффекты, особенно распределённые индуктивности, начиная с нескольких нГн. Проблема здесь в том, что не всегда удаётся предвидеть место, где возникнут такие паразитные элементы, особенно если ранее вы не обращали на них внимания.
  2. Как только длина волны составляющих частотного спектра начинает приближаться к размерам элементов схемы, разработчик должен учитывать зависимость импеданса от частоты, т.е. рассматривать схему с «двумерной» точки зрения. Это связано с тем, что на частоте резонанса импеданс может значительно изменяться. Теперь его нельзя считать "одномерным" статическим значением.

Рисунок. 1. Измеренная зависимость импеданса от частоты для модуля на основе SiC. (Lemmon, Graves, 2015a).

 

Чтобы рассмотреть конструкцию с «двумерной» точки зрения, разработчики должны позаимствовать инструменты у радиоинженеров (Lemmon, Graves, 2015a). Эти инструменты включают анализаторы импеданса и электрических цепей, а также программные средства моделирования, которые позволяют анализировать устройство, как цепь с распределёнными параметрами в чатотной области.

Ценность таких инструментов несомненна, как для производителей силовых компонентов и модулей, так и для разработчиков силовой электроники. Если начать с производителей, то речь идёт о достижении максимальной производительности конечного продукта и завоевании рынка. Производители вкладывают большие средства в исследования технологии WBG и не хотят, чтобы паразитные элементы корпусов или модулей сдерживали инновации и ухудшали характеристики изделий. Старые корпуса и модули, используемые для кремниевых приборов, имеют такой уровень паразитных составляющих, который делает их малопригодными для устройств WBG.

На рисунке 1 показан пример измерения импеданса модуля SiC (Lemmon, Graves, 2015a). График сравнивает смоделированные данные частотной области с результатами реального измерения, выполненного анализатором цепей с функцией анализа импеданса. Подробности измерения не столь важны. Важно то, что при достижении резонансной частоты наблюдается существенный изменение модуля и фазы импеданса. Понимание таких деталей необходимо для разработчика, планирующего использовать крутые фронты, которые могут возбудить такой резонанс (а также другие резонансы в схеме устройства). Если бы это измерение выполнялось с помощью измерителя RLC, то мы получили бы всего лишь "одномерное" представление в крайней левой точке частотного спектра. Что же касается силовых устройств на основе GaN, то многие производители уже сталкивались с проблемами паразитных элементов в конструкции корпуса. Например, компания GaN Systems разработала инновационный корпус GaNPX, а компания EPC в корне решила проблему, полностью избавившись от корпуса.

Рисунок . 2. Электромагнитная модель в САПР ADS в сочетании с дискретными элементами схемы. Щёлкните на рисунке, чтобы увидеть подробности.

С точки зрения разработчика, при использовании устройств WBG в силовых преобразователях, гармоники, генерируемые устройствами WBG, взаимодействуют с непредусмотренными паразитными элементами, что может порождать проблемы, такие как сквозные токи и осцилляции. Пренебрежение «двумерным» представлением паразитных элементов при проектировании силовой электроники заканчивается обычно одним из двух следующих вариантов:

  1. Разработчик начинает ухудшать характеристики WBG устройства, пока паразитные явления не исчезнут. Это сводит на нет все преимущества устройства WBG, заставляя его работать подобно обычному кремниевому устройству.
  2. Разработчик делает разумные предположения о возможном месте расположения паразитных элементов и пытается менять топологию печатной платы, пока не устранит проблему. Такой метод проб и ошибок существенно увеличивает стоимость разработки и время продвижения на рынок.

Зачастую в реальных условиях наблюдается некоторая комбинация этих двух вариантов, и в результате проектирование отнимает больше времени, затраты на исследования увеличиваются, а параметры получаются ненамного лучше, чем при использовании кремния. Воспользовавшись средствами проектирования, поддерживающими «двумерное» представление, такого исхода можно избежать. Например, при использовании САПР ADS, позволяющего моделировать электромагнитные поля и работать в частотной области, разработчик может представить паразитные элементы своего устройства в виде представления распределённой цепи в заданном частотном диапазоне.

Так ЭМ симулятор Momentum, входящий в состав САПР Keysight Advanced Design System (ADS), берёт топологию печатной платы и, учитывая свойства материала печатной платы и корпусов, создаёт ЭМ модель паразитных элементов структуры, позволяя обойтись без изготовления опытного образца. Эта модель становится частью общей системы моделирования. Это экономит время и деньги и исключает непродуктивные итерации “проб и ошибок”. На рисунке 2 показан типичный “символ” из САПР ADS. Этот “символ” представляет собой ЭМ модель структуры печатной платы в сочетании с дискретными элементами, которые образуют полную схему для симулятора ADS Transient Convolution Simulator. Выполняя моделирование разных вариантов топологии, можно сравнить их выходные сигналы и избежать таких проблем, как перегрузка силовых устройств, осцилляции, сквозной ток и другие нежелательные динамические эффекты.

Рисунок. 3. Самодельная тестовая оснастка для анализа импеданса силового модуля SiC (снимок из статьи Lemmon, Graves, 2015b).

До сих пор я описывал проблемы проектирования устройств на основе WBG, связанные с паразитными эффектами, просто утверждая, что разработчики силовой электроники должны использовать средства «двумерного» анализа, которыми пользуются радиоинженеры. Конечно, эти проблемы имеют и другие аспекты. Некоторую ответственность за предоставление этих средств «двумерного» анализа разработчикам силовой электроники несут сами создатели таких инструментов. Сегодня эти приборы, а также соответствующие обучающие материалы нацелены на применение в ВЧ электронике. Именно производители приборов должны заговорить на языке разработчиков силовой электроники и учесть требования форм-факторов силового оборудования. Например, синяя кривая на зависимости импеданса от частоты на рисунке 1 получена с помощью измерительной схемы, показанной на рисунке 3.

Чтобы выполнить точные, воспроизводимые измерения паразитных элементов, очень важно иметь хорошую тестовую оснастку, обеспечивающую подключение прибора к исследуемому устройству. Без хорошего интерфейса между прибором и тестируемым устройством, в результатах измерения будут преобладать паразитные элементы самого интерфейса. Производители таких решений предлагают множество высококачественных соединителей и тестовой оснастки для радиочастотной промышленности, помогая выполнять точные, воспроизводимые измерения. Тестовая оснастка, показанная на рисунке 3, создана доктором Andrew Lemmon в Университете Алабамы. На создание такой тестовой оснастки для измерения импеданса силового модуля на основе SiC пришлось потратить немало человеко-часов, и это всего лишь для того, чтобы выполнить измерение. Было бы это ВЧ устройство с коаксиальными разъёмами, можно было бы легко воспользоваться серийно выпускаемой тестовой оснасткой.

С точки зрения производства существует множество препятствий на пути внедрения устройств WBG вместо кремния. К хорошо известным препятствиям относятся стоимость и надёжность. Другое, не столь важное, но влияющее и на производителей устройств WBG, и на разработчиков конечных изделий препятствие, это паразитные эффекты топологии. Для решения этой проблемы разработчикам силовых устройств нужны программные и аппаратные средства проектирования, применяемые в ВЧ электронике, которые позволяют рассмотреть паразитные элементы в «двумерном» представлении зависимости импеданса от частоты. В то же время производители этих «двумерных» средств проектирования должны сделать так, чтобы будущие версии таких инструментов заговорили на языке разработчиков силовой электроники и учитывали требования форм-факторов силового оборудования.

Литература:

1.Reusch, David., Strydom, Johan (2013). Understanding the Effect of PCB Layout on Circuit Performance in a High Frequency Gallium Nitride Based Point of Load Converter.IEEE Xplore. Источник: http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?arnumber=6520279

2.Lemmon, Andrew., Graves, Ryan (2015). Parasitic Extraction Procedure for Silicon Carbide Power Modules. IEEE Xplore. Источник: http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=7295986

3.Lemmon, Andrew., Graves, Ryan (2015). Gate Drive Development and Empirical Analysis of 10 kV SiC MOSFET Modules. IEEE Xplore. Источник: http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=7369321

 

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. 

Добрый день,

Компания Keysight Technologies предлагает всем желающим принять участие в новой промо-акции. Только в течение ограниченного периода времени (до 31 декабря 2016 г.) при приобретении у официального дистрибьютора Keysight любого прибора серии B2900 с указанием промо-кода в стандартную комплектацию поставки будет включен осциллограф DSOX2002A. Узнайте подробности акции по ссылке.

О приборах семейства Keysight B2900

Прецизионные настольные приборы серии Keysight B2900A включают несколько решений для измерения и подачи питания на тестируемые устройства. В настоящее время в эту серию входят прецизионные источники питания/измерители (SMU), прецизионные источники питания с низким уровнем шумов, а также фемтоамперметры и петаомметры.
Эти приборы обладают лучшими в своем классе характеристиками по подаче и измерению тока и напряжения и обеспечивают целый ряд других функциональных возможностей. Серия B2900 может использоваться в самых различных областях — от научно-исследовательских и учебных лабораторий до производственных автоматизированных систем тестирования. При этом приборы одинаково хорошо функционируют как в автономном режиме, так и в составе систем. Узнайте о серии подробнее по ссылке www.keysight.com/find/b2900

Новое программное обеспечение поддерживает самое полное в отрасли тестирование передатчиков USB 3.1 Type-C на соответствие требованиям стандарта

 

Ключевые нововведения:

  • Всеобъемлющее и точное тестирование передатчиков
  • Добавлены тесты Gen2 SSC, SCDx/LBPM и тесты предыскажений
  • Поддержка тестов на соответствие стандарту для Type-C Gen1 и Gen2

 

Компания Keysight Technologies представила ПО проверки параметров и тестирования на соответствие стандарту передатчиков U7243B USB 3.1, которое обеспечивает самую полную поддержку для тестирования передатчиков для спецификации USB 3.1 Type-C. Это измерительное приложение позволяет разработчикам и авторизованным испытательным центрам тестировать интерфейсы USB 3.1 Gen2 SuperSpeed Plus 10 Гбит/с с разъёмом Type-C и предоставляет инженерам-испытателям средства для проверки соответствия устройств требованиям спецификаций USB 3.1 Gen2 Type-C. Решение компании Keysight для USB 3.1 обеспечивает получение точных результатов, снижая стоимость разработки и упрощая процессы измерений для производителей бытовой электроники, кабелей и полупроводниковых приборов.

 

Измерительное ПО работает на осциллографах реального времени Keysight Infiniium серии V и серии Z с полосой пропускания не менее 16 ГГц. Инженеры могут получить доступ к испытательным сигналам с помощью высокоскоростной тестовой оснастки N7015A Type-C, которой можно управлять с помощью низкоскоростной оснастки для доступа к сигналам и управления N7016A Type-C.

 

«Компания Keysight активно поддерживает организацию USB-IF и производителей устройств с интерфейсом USB, предлагая ранний доступ к контрольно-измерительным решениям и активно участвуя в семинарах, посвящённых проблемам совместимости и соответствия стандартам, – сказал Дэйв Сиприани (Dave Cipriani), вице-президент и генеральный менеджер подразделения осциллографов компании Keysight. – С выпуском спецификаций соединителей Type-C и Gen2, компания Keysight предлагает необходимые программные средства для тестирования и сертификации USB-IF, способные обеспечить необходимую пользователям совместимость».

 

Инженеры могут использовать это решение с тестовыми оснастками, одобренными форумом производителей USB (USB-IF), или с тестовыми оснастками Keysight N7015A и N7016A Type-C.

 

Дополнительная информация о тестировании на соответствие USB 3.1 компании Keysight приведена на странице www.keysight.com/find/U7243B. Информация о решениях компании Keysight для тестирования приёмников USB 3.0 приведена на странице www.keysight.com/find/usb3_rx_test.

 

Программа стандартизации цифровых измерений компании Keysight

 Решения компании Keysight для цифровых приложений разрабатываются и поддерживаются специалистами компании, принимающими участие в работе различных международных органов стандартизации. Специалисты Keysight активно работают в Объединённом инженерно-техническом совете по электронным устройствам (JEDEC), Группе PCI-SIG®, Ассоциации по стандартам в области видеоэлектроники (VESA), Международной организации Serial ATA (SATA-IO), Форуме разработчиков USB (USB-IF), Альянсе мобильных промышленных процессорных интерфейсов (MIPI®), Комитете по стандартам Ethernet (IEEE 802.3), Форуме по организации оптических сетей (OIF) и многих других. Компания Keysight активно сотрудничает с комитетами стандартизации и принимает участие в соответствующих симпозиумах, плагфестах и семинарах, стремясь к тому, чтобы ее контрольно-измерительные решения всегда соответствовали постоянно растущим требованиям заказчиков.

 

О программном обеспечении Keysight

 Программное обеспечение Keysight объединяет в себе весь опыт компании в области проектирования и контрольно-измерительных технологий. ПО Keysight позволяет инженерам быстрее принимать правильные решения на основе исходных необработанных данных на всех этапах создания изделия – от первого моделирования до поставки заказчику. Дополнительная информация приведена на странице www.keysight.com/find/software. Загрузить бесплатные пробные версии ПО можно по ссылке www.keysight.com/find/free_trials.

 

# # #

 

USB Type-CTM и USB-CTM являются зарегистрированными товарными знаками организации USB Implementers Forum.

PCI-SIG, PCI Express, PCIe и M-PCIe являются зарегистрированными товарными знаками организации PCI-SIG.

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

 

Типовые приложения такого осциллографа - это:

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

 

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

 

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


Типовые конфигурации системы:

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

 

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

 

Рис. 1 Внешний вид осциллографа DCA-X 86100D

 

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

 

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


Рис. 2 Состав измерительной системы

 

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


Рис. 3 Сигнал не синхронизирован с сигналом запуска

 

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


Рис. 4 Сигнал синхронизирован с восстановленным тактовым сигналом

 

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


Рис. 5 Анализ глазковой диаграммы цифрового оптического сигнала

 

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

 

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

 

Рис. 6 Разложение джиттера сигнала на составляющие и его анализ

 

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


Рис. 7 Обзор различных компонент джиттера

 

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

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


а) 


б) 


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

 

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

 


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

 

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

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