Новая технология для захвата и оценки высокочастотных сигналов

Новая технология для захвата и оценки высокочастотных сигналов

Майк Лаутербах (Dr. Mike Lauterbach) Майк Шнекер (Mike Schnecker) LeCroy Corporation Перевод с англ. коллектив АО «ПриСТ»

Инженерам, которым необходимо определять характеристики полупроводниковых приборов, высокоскоростных тактовых частот и потоков последовательных данных, а также других оптических и электронных устройств, которые генерируют сигналы высокой частоты, приходится довольно часто применять стробоскопические осциллографы. Эти приборы известны на протяжении многих лет, однако сейчас есть новые технологии, которые делают работу по оценке таких цепей и сигналов быстрее и более точно. В частности, когда необходимо использовать осциллографы с полосой пропускания 20 ГГц и выше для захвата и измерения сигналов, разработана новая технология для стробоскопических осциллографов, получившая название CIS (когерентное чередующееся стробирование). Новая технология применяется в классе осциллографов, получивших название NRO (осциллографы около реального времени) и занимающих нишу между ранее существовавшими приборами реального времени и стробоскопическими осциллографами.

Различие между методами реального времени, последовательного стробирования и когерентного чередующегося стробирования

Архитектура высокочастотных осциллографов реального времени состоит из входного усилителя, 8 битного АЦП и «быстрой» осциллографической памяти. Когда срабатывает схема синхронизации прибора, в память записывается оцифрованный поток данных, получаемый из АЦП в масштабе реального времени. Осциллографы реального времени имеют набор комбинаций усилитель/аттенюатор, с помощью которых пользователь может контролировать входную чувствительность прибора, используя ручку В/дел. В настоящее время наибольшая скорость работы АЦП, достигнутая в таких приборах, составляет 40 ГГц, и анонсированная полоса пропускания 20 ГГц. Традиционные стробоскопические осциллографы имеют другую архитектуру и более медленный метод захвата данных. Их входные цепи начинаются со стробоскопического смесителя, работающего в полосе частот от 20 до 100 ГГц. Схема синхронизации осциллографа срабатывает по периодическому сигналу и АЦП захватывает только одну точку за каждый период повторения сигнала. При этом между точкой запуска и захватываемой точкой добавляется малое приращение времени каждый период. С помощью этого метода получается последовательность точек, которая соответствует форме периодического сигнала. Поскольку в осциллографе точно известно время задержки между началом периода и каждой точкой, возможно реконструировать форму сигнала. Частота сбора информации при этом является маленькой, что позволяет использовать АЦП высокой разрядности. В основном применяются 14 разрядные АЦП. Но поскольку техника последовательного стробирования очень медленная (200 кГц и ниже), то длина памяти осциллографа также очень короткая. Во всех случаях объем собранных данных ограничен памятью 4 кБ, что является очень малой величиной по сравнению с большой памятью осциллографов реального времени.

Осциллографы NRO используют когерентное чередующееся стробирование, которое часто применяется для захвата повторяющихся последовательностей, хотя также может использоваться для построения глазковых диаграмм и измерений джиттера на непериодических сигналах, включая «живые» потоки последовательных данных. Стробоскоп в этом случае с помощью ФАПЧ синхронизируется с тактовой частотой, программно восстановленной из входного сигнала. Частота следования стробимпульсов в этом случае немного отличается от 10 МГц. Это различие устанавливается таким образом, чтобы частота следования не являлась делителем (точно) тактовой частоты данных. Иначе может случиться, что при стробировании будет повторяться захват точно одной и той же точки в последовательности данных. Осциллограф может захватывать данные непрерывно с номинальной частотой стробирования 10 МГц и сохранять данные в длинную память. Стандартный объем памяти в NRO составляет 4 Мб и может быть расширен до 512 Мб. Как и осциллографы последовательного стробирования, NRO измеряют время между началом последовательности данных и каждой точкой выборки, что позволяет реконструировать входной сигнал. Но NRO не собирает данные по порядку. Это позволяет получить намного большую частоту стробирования, чем при последовательном режиме, и затем переупорядочить собранные точки для реконструкции сигнала (рис. 2). Благодаря различию в технике сбора данных, метод CIS собирает данные минимум в 50 раз быстрее, чем осциллографы с последовательным стробированием (10 МГц по сравнению с 200 кГц) и могут собирать минимум в 1000 раз больше данных (4 Мб по сравнению с 4 кБ).

Когерентное чередующееся стробирование (Coherent Interleaved Sampling)

Схематично принцип работы когерентного чередующегося стробирования приведен на рис. 3. Как следует из его названия, когерентное чередующееся стробирование работает с частотой стробирования, замкнутой через систему ФАПЧ на тактовую частоту входного сигнала. Частота стробирования получается путем деления опорной частоты осциллографа на значение петли ФАПЧ, которая использует сигнал синхронизации в качестве фазовой опоры. Такая схема имеет 2 преимущества. Во-первых, временная погрешность прибора улучшается, поскольку нет необходимости калибровать внутренний генератор задержки. Во-вторых, система ФАПЧ фильтрует любой джиттер в системе синхронизации, таким образом сохраняя собственный джиттер сигнала безотносительно качества сигнала синхронизации. Это, в частности, важно в случае, когда для формирования сигнала синхронизации используется схема внешнего восстановления тактовой частоты. Традиционные осциллографы с последовательным стробированием будут определять дополнительный джиттер когда используется восстановление частоты, потому что сигнал синхронизации непосредственно используется в качестве временной опоры. Т.е любой джиттер сигнала синхронизации будет непосредственно переводиться во временную ошибку.

Для понимания работы CIS рассмотрим когерентное стробирование периодического сигнала, например повторяющейся битовой последовательности. Частота стробирования, которая получается как производная от сигнала синхронизации через систему ФАПЧ, устанавливается на значение, которое немного меньше, чем целый делитель значения тактовой частоты сигнала. Интервал стробирования устанавливается так, что требуемое количество точек захватывается за один период сигнала. Это показано на рис. 4 для 8 битной последовательности данных. Последовательность повторяется каждые LT b секунд, где L – это длина последовательности, а T b - длительность одного тактового интервала UI . Частота дискретизации определяется через скорость потока данных и длину последовательности, и может быть описана уравнением:

Это уравнение показывает, что частота стробирования может быть очень низкой для длинных последовательностей и/или низких скоростей потока данных. Например, для 1024 битной последовательности на скорости 2,5 Гб/с частота стробирования составит 2,4 МГц. Когерентное чередующееся стробирование улучшает основную версию когерентного стробирования, позволяя работать с фиксированной частотой дискретизации безотносительно длины последовательности и скорости потока. Постоянная частота дискретизации 10 МГц достигается путем деления последовательности повторяющихся интервалов LT b на K сегментов и использования времени сегмента для определения частоты когерентного стробирования. Этот вариант показан на рис. 5 для той же 8 битной последовательности. Добавленные сегменты показаны зелеными линиями. Собранные точки данных не лежат в правильном временном порядке, потому что используется дополнительное сегментирование. Таким образом, данные должны быть переупорядочены после окончания сбора информации. Частота стробирования для CIS может быть выражена уравнением:

Коэффициент К варьируется для получения частоты стробирования 10 МГц для любых длин последовательностей и скоростей потоков данных.

Как CIS помогает инженеру

Доступные стробоскопические смесители для осциллографов с последовательным стробоскопированием имеют полосу пропускания от 20 до 70 ГГц. Для NRO доступна полоса пропускания от 20 ГГц до 100 ГГц (оптические и электрические входы). Т.е сигналы, захватываемые этими приборами, могут представлять собой быстрые электронные события. Используя доступную в прошлом короткую длину памяти, не было возможности увидеть множество таких событий. Полезная длинная память в осциллографах реального времени, применяемая для подтверждения правильности работы цепей или поиска неисправностей, была известна давно, но такие инструменты не работали со сверхвысокочастотными сигналами. Теперь например, NRO в состоянии использовать БПФ для захваченного сигнала и может отображать его гармоники или другую информацию в частотной области. Или, предположим, инженер проектирует высокоскоростной передатчик данных и хотел бы смоделировать, как сигнал будет выглядеть после прохождения через канал передачи с ограниченной полосой пропускания. Рис. 6 отображает 10 Гб/с поток данных, захваченный осциллографом с полосой пропускания 20 ГГц, и модель этого сигнала после прохождения через фильтр Бесселя 4-ого порядка с частотой среза 5 ГГц.

В добавление к возможностям длинной памяти по наблюдению сложных сигналов и применению математики, в 50 раз большая частота стробирования и передовая архитектура позволяют намного быстрее строить глазковые диаграммы. Такие диаграммы строят для оценки коэффициента битовых ошибок BER обычно по 10 12 бит данных. Более точные оценки могут быть сделаны, если осциллограф захватывает 40 миллионов бит, чем 1 миллион бит. В NRO скорость сбора данных и построения из них глазковой диаграммы составляет до 3 миллионов точек в секунду, что в 75 раз быстрее, чем для стробоскопов последовательного действия. Это позволяет делать более точные оценки BER . Тесты, которые могли занимать ранее несколько часов, теперь занимают минуты.

Рисунок 1 Метод сбора данных путем последовательного стробирования. Осциллограф запускается по началу последовательности и происходит приращение времени между точкой запуска и точкой выборки на каждом периоде повторения. (здесь и далее щелчок по изображению - увеличение).

 

Рисунок 2 Последовательность данных захватывается с постоянной скоростью около 10 МГц. Используя CIS , время между стартом последовательности и каждой точкой известно. Это позволяет переупорядочить точки и реконструировать сигнал.

 

Рисунок 3 CIS использует восстановленную тактовую частоту для захвата точек исследуемого сигнала. Поскольку схема запуска когерентна с сигналом, то на экране будет отображаться требуемая последовательность данных.

 

Рисунок 4 CIS захватывает данные в соответствии со скоростью передачи данных. Частота стробирования является функцией скорости передачи и длины последовательности. На рисунке позиция каждой точки измеряется относительно начала последовательности (красная линия).

 

Рисунок 5 CIS захватывает данные с фиксированной частотой стробирования с помощью деления последовательности данных на дополнительные сегменты и переупорядочивания данных относительно их положения в сегменте (зеленые линии).

 

Рисунок 6 Поток 10 Гб/с захватывается с помощью 20 ГГц стробоскопического смесителя (верхняя развертка) и моделируется его прохождение через фильтр Бесселя 4-ого порядка с частотой среза 5 ГГц (нижняя развертка). (щелчок по изображению - увеличение)

Автор:  Майк Лаутербах (Dr. Mike Lauterbach), Майк Шнекер (Mike Schnecker); перевод с англ. Пивак А.В. к.т.н.
Дата публикации:  22.11.2005