测量串行数据信号:选择合适的示波器带宽

1.考虑测量带宽的高速串行数据

在测量高速串行数据信号和设备时，无论是为了合规性、设计还是为了故障排除，测量带宽都是一个重要的考虑因素。相对于信号的频率成分，测量示波器可以有一个或大或小的带宽。特定标准的正确带宽是多少?与最近的标准相比，这种关系发生了什么变化?

在这里，我们将回顾规定测量带宽的原理，以及该原理是如何随着最新标准而演变的。

高速串行数据信号的基本光谱特性(图1)显示了信号奇谐波时的特征能量裂纹。基准(1次谐波)在fBaud的1/2，其中fBaud是数值等于信号符号速率的频率，例如，对于53GBd的信号，fBaud为53 GHz;奈奎斯特频率fNyquist为53 GHz的1/2。

被测装置或DUT(蓝色)的信号明显快速地滚落，除了第二谐波之外没有可见的可用能量。这是在10s的GBd信号中所希望的特性:远远超过fNyquist的高速能量对于信息的传递并不重要:无论如何，电通道将抑制它;此外，它可能引起额外的不良串扰。最后，恢复高度抑制的能量的尝试会太吵，并且会产生比在必要的最小值之后不久滚动的接收机设计更高的错误率，即，奈奎斯特频率。

相比之下，高速实验室信号源(绿色)可能具有更高的能量瓣。然而这也是学术性的--这种电源设计过度，其产生的能量会超过典型的DUT发射机(Tx)，除非使用极高速的连接器和电缆，否则其能量甚至不会传播到DUT。

图一。幅度调制信号的基本光谱特性;还显示了带宽与fNyquisti.e匹配的贝塞尔-汤姆森4阶过滤器(红色)的响应，0.5*f波特用于PAM 4参考过滤器。

如前所述，BERT信号(图1中的绿色迹线例子)在其丰富的高频率能量上是过去奈奎斯特频率的许多倍。但既然能量在那里，我们需要测量它吗?

随着时间的推移，各种标准一直在努力解决这个问题，并建立了推荐正确带宽的规则。作为示例，我们将使用IEEE 802.3有线/基于光纤的信令来讨论这一点高速电气IEEE802.3标准中所需测量带宽的开发情况如图2和图3所示;请注意时间范围(年)是近似值。

比较清楚地表明，测量带宽随着时间的推移而减少:为什么?

与过去的NRZ(PAM2NRZ)信号相比，如今的电信号(从Tx到Receiver或Rx)受介质(信号传播的有损信道)的带宽限制更大。注意，在PAM4信号中，眼睛的大小只占整个振幅摆动的1/3。

同样有趣的是，在光学信令中，相对于电介质，测量带宽在过去几年中一直明显地慢。让我们看看为什么。

2.测量带宽随时间推移而减少的原因

在较旧的、较简单的系统中，来自发射机的信号在信道中不会受到很大的损耗。接收器可以直接或仅通过光均衡来恢复合理睁开的眼睛。见图4。

相比之下，复杂的系统运行在较高的信道损耗超过f/fBaud正在恢复一个超出Nyquist频率的非常小的信号;需要付出很大的努力，如果没有大量的RF增益，眼睛通常是不会睁开的。然而，一个大的射频增益意味着麻烦的形式的噪声放大-和噪声导致传输错误。

由于较复杂的传输系统(图5)必须执行复杂均衡，即具有更大增益的均衡，该系统还必须滤除在高频(即尼奎斯特以上频率)中发现的大部分噪声。当传输信道是高损耗时，这种快速的带宽限制提高了噪声性能。

3.DUT接收机带宽与测量带宽的关系

测量带宽的指导思想是测量只能观察比DUT接收器稍大的光谱窗口。

在过去使用的较简单的系统中，这经常被五次谐波规则所暗示。在当今更为复杂的系统中，凡(如上图所示)该信道表现出很大的损耗(作为f/fBaud的一小部分)，DUTRx必须通过更剧烈的滚动来严重限制高频噪声。在测量系统中，这将通过降低测量带宽(例如降至第3谐波范围)来稍微近似。

3.1.四阶贝塞尔-汤姆逊系统的作用

另一个考虑因素是，由于最新的系统(例如PAM4)使用高度噪声限制的数据恢复，因此测量设备的滚动不将伪装物呈现到信号的时域视图中是至关重要的。因此，内置于示波器的低通滤波器必须在时域上没有振铃或大的过冲。出于这个原因，四阶贝塞尔-汤姆逊滤波器是强制性的标准。这是针对平滑相位响应和平滑电压转换而优化的滤波器设计。除了指定滤波器外，标准还规定必须遵循该滤波器超过-3dB点，即，如果指定40 GHz贝塞尔-汤姆逊4阶滤波器，并不意味着40 GHz DUT示波器是可用的;事实上，即使50 GHz示波器也不会对标准提出抱怨，因为有益的贝塞尔-汤姆逊滚动将过早地被截断。

参见图1，红色轨迹，用于匹配信号信令速率的贝塞尔-汤姆逊4阶滤波器(在fNyquist时为-3dB，与典型的PAM4标准相似)。观察信号折射与红线贝塞尔-汤姆森4滤波器共同作用后剩余的能量有多少。

这对今天的标准意味着什么?

4.2021/2022年最快标准

电气标准。预计IEEE802.3ck将于2021年完成最快的实用电气标准之一，数据吞吐量为每通道100 GB/s，并推出400GBASE-CR4或400 GBASE-KR4或400GAUI-4等变体，最终批准可能在2022年中期。这些标准的信令符号率为53.125GBd，因此信号的奈奎斯特频率为25.5625 GHz。

预计该标准将强制要求示波器测量带宽为40GHz带宽(即-3dB)贝塞尔-汤姆逊滤波器的4阶控制滚降结束在55GHz左右。这种采集速度将足以捕获大部分信号及其潜在的保真问题，同时不会用超出DUT接收器所实现的带宽的过剩带宽损害被测信号的信噪比。

OIF-CEI标准使用相同的概念，但使用略有不同的过滤器。我们将在以后的文章中讨论。

光学标准。使用PAM4信令(又称光学直接检测PAM4NRZ)测量光信号已经建立几年了，作为IEEE 802.3bs在400GBASE-DR4标准背后的努力的一部分。在光信令中，对接收机带宽的考虑不同于例如IEEE802.3ck中存在的对电信令的考虑。在53GBd时，单模光纤中的光信号经历相对较小的带宽折射(相对于电通道)，因此均衡过程更简单，并且在短链路上反射的影响较小，因此光接收机不会受到这种反射的严重影响。由于这些链路特性，光学标准规定的测量带宽仅为0.5*fBaud，即在接收器电侧测量的Nyquist频率。

这是一种贝塞尔-汤姆森滤波器，其带宽为26.5625GHz，可接收53GBd信号;在典型的单模系统中，可控卷曲的末端刚过60 GHz。

为什么在光学标准中会有电带宽和光带宽的差异?光接收机中的光电转换正交干光和电侧之间的功率关系;因此，光带宽不同于电带宽，即更高。(带宽是全幂的几分之一;典型O/E的平方定律改变了这个比率。)光带宽不用于指定贝塞尔-汤姆森滤波器和尼奎斯特频率之间的关系。

在某些情况下，强调光学链路是为了在电子领域“不惜任何代价”提供能力(例如，非常昂贵的链路，如大陆之间的海底链路)。然后，整个设计(包括信号滚动)主要由对频谱效率以及发射器能量和测量工具的更锐利滚动的关注所主导。

结论

在较高速度标准下，高速串行数据系统中用于测量的带宽(作为符号速率的一小部分)比过去在较不均衡标准下要低。这一发展只是确认了链接设计者今天必须做出的设计权衡。进行测量的带宽约为0.5*fBaud，在大多数标准中以时域友好的方式推出四阶贝塞尔-汤姆逊滤波器。未来可能会有一个稍微快一点的推出。

审核编辑 黄宇