如何对通过有损信道传输的信号实现低噪声测量

摘要

当测量承载高速数据的信号时，去嵌入是消除电缆、探头、夹具及连接器影响的关键手段。然而，去嵌入也可能过度增强仪器噪声。本文阐述了通过高速信号去嵌入信道效应的挑战，尤其在管理示波器噪声方面。还阐述了在7系列DPO示波器中采用新方法，即如何使用软硬件专利组合对示波器的本地噪声进行整形，以降低仪器噪声对去嵌入信号的影响。文中通过多项实验说明QuietChannel新技术效果，及其优势如何随信道长度增加而增加。文中还包含关于配置均衡的简短内容。

当前技术差距

当达到10Gb/s数据速率以后，高速串行信号的测量（尤其作为标准测试的一部分）需采用去嵌入技术处理电缆、封装和电路板。随着数据速率提高，信道损耗的影响也随之增加，而示波器精确表示去嵌入信号的能力也因数字转换器的噪声受限。如果仪器没有噪声，则原始信号可通过去嵌入完美表示。现代示波器的本底噪声已取得极大改善，但当去嵌滤波器对其放大时，仪器噪声仍会导致显著误差。

图1. 在通道损耗前后，20Gb/SPRBS信号的频率成分。

例如，图1所示为20Gb/s PRBS信号在信道损耗前后的频率内容。测量边沿速率和表征信号特性（如预加重）需要捕获更高频率的信号分量。

图2所示为示波器的基本模型。噪声在多个位置进行建模。前置放大器输入端的噪声位于增益之前，并伴随仪器的垂直刻度而变化。前置放大器输出端的噪声及ADC的噪声通常不随仪器的垂直刻度而变化。用于高速串行测量时，大多数垂直刻度设置下，前置放大器的增益较低，ADC噪声占主导地位。现代示波器中的Scope DSP模块应用了滤波和均衡来处理仪器内部的信号路径。软件去嵌模块是一种用于补偿示波器外部有损信号路径的工具 – 包括电缆、连接器和线路。该模块通常使用S参数来描述通向示波器输入端的外部信道中的损耗。对于7系列DPO，信号完整性建模 (SIM) 软件执行去嵌入以补偿外部信号路径元素。

图2. 含软件去嵌入的传统示波器信号路径。除增强高频信号功率外，去嵌入还会增强示波器噪声。

图2右下角的曲线即示波器的带宽和与频率相关的示波器本底噪声。由于在更高频率下信道损耗更大，去嵌入通常会提升更高频率的幅度。这种提升不仅应用于信号，还应用于仪器噪声，导致如图2所示的本底噪声。请注意，信号不会因去嵌入失真，因信道损耗应用后再被移除，从而达到了平衡。示波器本底噪声本身不受信道损耗的影响。然而，去嵌入会使示波器噪声增强，因此随着频率的增加，示波器本底噪声也会增加。

图3. 使用去嵌入和QuietChannel技术的示波器噪声。前置放大器中的均衡器在示波器DSP中为反向，使得示波器的本底噪声得以有效改善。

图3所示为实施QuietChannel技术的示波器模型。在这种情况下，前置放大器设计了可选择的频率响应，可以增强信号的高频内容。传递函数是一种连续时间线性均衡 (CTLE)，通常用于校正传输线中的损耗。

ADC采样后，伴有噪声，通过对DSP前置放大器增益反向操作，达到频率响应平坦化。右下方图表显示了测试结果：示波器带宽较平坦，但本底噪声在更高频段呈现衰减。

QuietChannel技术实验

为展示这项技术效果，研究人员进行了三项实验，并在文中加以描述。实验设置包括一个能够产生28Gb/秒数据的误码率测试仪（BERT）。BERT产生的伪随机二进制序列（PRBS）通过由Megtron 6材料制成的PCB传输，配有高质量连接器和长度不一的带状线，用于创建符号间干扰（ISI板）。使用Tektronix 7系列示波器的两个信道测量差分信号，该示波器首次采用QuietChannel技术。

所有实验中，使用Tektronix信号完整性建模（SIM） 软件，从测量信号中去嵌入PCB损耗。部分标准会采用连续时间线性均衡 （CTLE）技术，该技术可与去嵌入配合使用，或替代去嵌入。本实验没有使用CTLE，但 QuietChannel技术产生的效果相似。

图4. 实验测试设置。使用BERT（左）通过不同长度的信道驱动 PRBS测试信号。7系列DPO采用QuietChannel技术，用于测量产生的信号。

第一项实验使用20Gb/s数据，通过17英寸带状线运行。该信道的插入损耗如图5所示。

图2a

图2b

图5. ISI板上17英寸传输线对的插入损耗。

对于本实验20Gb/s数据速率，相当于10GHz基频时需要去嵌入约15dB损耗，但在20GHz去嵌入滤波器带宽限制下，需要去嵌入近30dB损耗。图6显示了未使用QuietChannel技术的测量结果。底部波形（紫色）是未去嵌入的差分对。上方的橙色波形是已去嵌的波形，由SIM创建。左上方的眼图基于未去嵌入的差分对，在本次实验中完全闭合。右上方波形为去嵌入波形眼图，测量1和3显示了抖动细节。

图6. 未采用QuietChannel技术时，通过17英寸走线实现20Gb/s传输速率。

图7. 采用QuietChannel技术后，通过17英寸走线实现20Gb/s传输速率。眼图高度增加了3%。

图7显示了使用QuietChannel技术的同测量结果。在这种相对较短的走线上，我们看到眼图高度提高了3%，宽度提高了1%。这一幅度可能不大明显，但可能会对是否通过合规测试有显著影响，或导致良率大幅下降。下一组实验将展示这种影响如何随信道损耗而增加。

第二项实验保持其他条件不变，但ISI板上切换为24英寸长走线。图8显示损耗在10GHz基频处增加到20dB，在20GHz SIM滤波器频率限制处接近35dB。此时损耗增加幅度较小，但QuietChannel技术的效果更加显著。数据速率越高，这种损耗越真实，而且大大低于许多信道损耗。相较于现在的20dB损耗，现代标准在同一基频处能达到25-30dB损耗。

图8. 24英寸ISI板插入损耗

图9示的眼图截图中，左侧为未使用QuietChannel技术，右侧为使用了QuietChannel技术。这里我们可以看到眼图有一处明显差异，测量显示，眼宽增加了31%，眼高增加了34%。注意，此处随机抖动 (RJ) 大幅减少了约40%。RJ减少由更低的噪声造成，因为在采样快速的边沿时，噪声会转化为随机抖动。

图9. 对同一条24英寸走线，进行20Gb/s速率下的信号去嵌入左侧眼图未使用QuietChannel技术测量，显示随机抖动 (RJ) 为1.4ps。右侧眼图采用了QuietChannel技术测量，显示随机抖动 (RJ) 为860fs。

为了解QuietChannel技术如何产生这一效果，我们可以分别查看使用和未使用QuietChannel技术时的信号和本底噪声FFT。第三项实验使用16Gb/s信号，采用31英寸长走线，在8GHz基频损耗为20dB，在二谐波损耗为35dB。在图10中，Math 3（红色走线）快速傅里叶变换（FFT）显示了叠加在示波器固有本底噪声上的PRBS信号状态。Math 4（绿色走线）顶部FFT显示了已去嵌信道损耗的SIM波形FFT。此处信号和噪声以同等程度增强。

图10. 未使用QuietChannel技术，通过31英寸走线传输16Gb/s信号的FFT。

在图11中，眼高增加了一倍多，这在FFT中可见信噪比中可观察到。这是由QuietChannel技术实现噪声整形所致。

图11. 使用QuietChannel技术后，通过31英寸走线传输16Gb/s信号的FFT。眼高增加了一倍多。

图12为FFT的放大视图，上方为关闭QuietChannel技术，下方为启用QuietChannel技术。信噪比提高了约5dB，因为示波器本底噪声在较高频率下被整形。

图12. 未使用QuietChannel技术（上）和使用QuietChannel技术（下）的FFT对比。

QuietChannel技术的噪声整形可用于诸多应用场景。对于需要去嵌入的高速串行应用，这是一项革命性技术，能为发射端波形提供更准确的视图。

QuietChannel技术设置

7系列DPO示波器是首批采用QuietChannel技术的仪器。本次产品中，针对不同程度、信道损耗斜率以及比特率，前置放大器ASIC具有7种不同的QuietChannel技术设置。图13展示了7系列DPO用于配置信道的面板。

图13. 静音通道技术设置。

确定具体被测设备（DUT）使用哪种设置可能具有一定难度。最佳设置可能会随比特率、驱动强度和预加重设置而变化。“当前信号优化”按钮可根据当前测量的信号，优化示波器信道信噪比。示波器软件会评估每种QuietChannel技术设置（包括关闭状态）下的信噪比。这能为当前发射器和信道条件找到最佳设置。测试多个设备时，也可手动调整，保持设置一致。

当测量承载高速数据的信号时，去嵌入是消除电缆、探头、夹具及连接器影响的关键手段。多数情况下，去嵌入对于合规性测试不可或缺。然而，去嵌入也会增强仪器噪声，导致仪器噪声对测试结果产生负面影响。本文阐述了运用于7系列DPO示波器中的这项专利技术如何通过硬软件独特组合以“整形示波器本底噪声”，并减少仪器噪声对去嵌入信号的影响。已开展多项实验以验证QuietChannel的技术价值，尤其是在对有损信道进行去嵌入时，该技术的价值更为显著。