Высокочастотный стробоскопический смеситель для измерений глазковых диаграмм потоков последовательных данных со скоростью 40 Гб/с

Agoston Agoston, Steve Pepper, Robert Norton, John Ebner и Kipp Schoen Picosecond Pulse Labs (PSPL), США В статье приведены результаты разработки и тестирования модулей стробоскопических смесителей с полосой пропускания свыше 100 ГГц. Данные модули включают в себя схему формирования строб-импульса, диодный смеситель, усилитель промежуточной частоты ПЧ и схему защиты от перегрузки. При тестировании модулей оценивались следующие параметры: время нарастания, неравномерность амплитудо-частотной характеристики АЧХ, временной джиттер, динамический диапазон и уровень собственных шумов. Измерения времени нарастания переходной характеристики модуля по уровню 10%-90%, проведенные с применением алгоритма расчета обратной свертки, дали приблизительное значение 3 пс. Такое значение соответствует расчетной полосе пропускания 113 ГГц. Измерения импульсов большой длительности (100 нс) также дали хорошие результаты. Измерения АЧХ смесителя подтверждают полученные оценки полосы пропускания, показывая отсутствие значительных неравномерностей АЧХ в диапазоне до 65 ГГц (предел применяемой измерительной системы). Тестирование временного джиттера позволяет оценить его значение порядка 175 фс. Нескорректированное значение нелинейности модуля составляет несколько процентов в динамическом диапазоне до 2 Впик, с учетом коррекции – около 0,1%. Собственный шум, приведенный ко входу, составляет 2,5 мВскз или 0,1% от полного динамического диапазона, что очень близко к расчётному значению предела тепловых шумов.

1. Введение

Оценка качества телекоммуникационных сигналов 40 Гб/сек требует применения очень широкополосных измерительных систем. Особенно это относится с сигналам 40 Гб/с RZ, которые применяются для передачи информации на длинные расстояния с использованием волоконно-оптических кабелей. Обычным измерительным сигналом для оценки качества передачи информации по таким кабелям является 40 Гб/с псевдослучайная последовательность ПСП, которая включает в себя как сигналы с очень быстрыми временными переходами, так и низкочастотные компоненты. Соответственно, система для построения правильных глазковых диаграмм 40 Гб/с должна обеспечивать возможность по измерению быстрых временных переходов, длинных посылок повторяющихся битов, а также различных комбинаций 0 и 1. Поток данных 40 Гб/с NRZ имеет типичное время нарастания около 10 пс, поток данных RZ -  около 7 пс. Поэтому, стробоскопические смесители должны иметь полосу пропускания, обеспечивающую измерение таких быстрых временных переходов без искажений. При этом, джиттер измерительной системы также должен быть минимален. В то время как значение джиттера 1-2 пс может являться незначительным для потока 10 Гб/с, оно становится критическим для сигнала 40 Гб/с.

Идеальная стробоскопическая система эквивалентного времени для построения глазковых диаграмм сигналов 40 Гб/с NRZ и RZ должна быть очень широкополосной (практически от постоянного напряжения до верхней частоты полосы пропускания), обеспечивать очень малый собственный джиттер и производить точные измерения. Любые отклонения от этой идеальной модели будут отражаться в виде искажений при измерениях глазковых диаграмм и являются нежелательными. В течение многих лет стробоскопические системы развиваются, в них применяется большое количество новых разработок в полупроводниковых материалах, СВЧ – технологий, новых методов производства [1,2], в настоящее время большинство коммерчески доступных стробоскопических осциллографов ограничено полосой пропускания 70 ГГц [3]. Это эквивалентно времени нарастания смесителя около 5 пс, что очень близко  к значению времени нарастания сигнала RZ. Таким образом, эти смесители будут вносить значительную погрешность в результат измерения времени нарастания сигнала 40 Гб/с RZ.

2. Описание тестируемых стробоскопических модулей

Компания Picosecond Pulse Labs (PSPL) недавно разработала семейство высокоскоростных стробирующих компонентов и модулей, которые варьируются по расчетной полосе пропускания и количеству внутренних цепей, интегрируемых в модуль. Двумя вариантами таких модулей являются стробоскопические смесители с полосами пропускания 100 ГГц и 25 ГГц (рис. 1и 2). Начальные результаты тестирования стробоскопического смесителя 100 ГГц были изложены в [1]. Со времени выхода этой статьи, компоненты смесителя были интегрированы в полноценный модуль стробоскопического смесителя эквивалентного времени. Модуль, рассматриваемый в данной статье включает компонент, показанный на рис.1 с дополнительными схемами строб-генератора, усилителя ПЧ и компенсации перегрузки. Модуль сам по себе не соединен с системой, обеспечивающей временную развертку («корзина» стробоскопического осциллографа – прим.).

Рисунок 1 – Стробоскопический компонент 100 ГГц	Рисунок 2 – Модуль стробоскопический 25 ГГц с интегрированными строб-генератором, усилителем ПЧ, схемой коррекции перегрузки

Стробоскопический компонент (рис.1) содержит множество схем, включая: диодный смеситель и строб-генератор. Диоды Шоттки GaAs используются как для смесителя, так и в собственной разработке компании – нелинейной линии передачи NLTL, которая  обеспечивает быстрый временной переход сигнала (строб-генератор).

Рисунок 3 – Принципиальная схема строб-генератора, смесителя и усилителя заряда

Использование технологии NLTL в строб-генераторе позволяет обеспечить апертуру, значительно меньшую чем у строб-генераторов на основе SRD, применяемую в большинстве коммерчески доступных стробоскопических осциллографов и векторных анализаторах цепей. Усилитель заряда, примененный в данном модуле, ограничивает скорость следования строб-импульсов до 10 МГц, хотя модуль может работать со скоростями следования строб-импульсов и до 10 ГГц. Диодный смеситель и линия NLTL изготовлены с использованием тонкопленочного полупроводникового GaAs собственной разработки и производства. Упрощенная схема модуля со строб-генератором, смесителем и усилителем приведена на рис.3. Модуль также включает схемы компенсации перегрузки и контроля напряжения смещения диода, не показанные на рис. 3.

3. Тестирование модулей с помощью импульсов с малым временем нарастания и импульсов большой длительности

Время нарастания переходной характеристики стробирующего компонента на рис.1 (компонент был оценен предварительно, до момента его интегрирования в стробоскопический модуль) было измерено с помощью специально разработанной компанией Picosecond системой (рис.4) Измерительная система генерирует сверхбыстрый электрический переход, основанный на оптоэлектронном преобразовании импульса от источника лазерного излучения. Измеренное значение времени нарастания составило 4,3 пс. При оценке времен нарастания источника и смесителя как вносящих приблизительно равный вклад в суммарное время нарастания, было рассчитано время нарастания смесителя около 3 пс. Джиттер измерительной системы был оценен в 100 фс, что является пренебрежимо малым при расчете времени нарастания. При измерениях стробоскопический компонент был оснащен СВЧ разъёмом 1 мм.

Рисунок 4 – Тестовая широкополосная система с источником лазерного излучения 0,5 пс, оптоэлектронным преобразователем и прецизионной переменной линии задержки

Рисунок 5 – Переходная характеристика модуля 100 ГГц, включая время нарастания генератора перепада

Отклик компонента на импульс большой длительности был проверен с использованием генератора с плоской вершиной PSPL 6110. Для этого теста стробоскопический смеситель был подключен к «корзине» коммерческого стробоскопического осциллографа  и работал под управлением временной развертки и процесса сбора данных «корзины». Полученные осциллограммы приведены на рис. 6 и 7. Неравномерность отображения плоской вершины импульса составила около ±5 мВ (1%) на временном интервале до 10 нс и около 1-2 мВ (0.4%) с учетом коррекции на временном интервале до 100.

Рисунок 6 – Неравномерность переходной характеристики модуля 100 ГГц на участке 500 пс…10 нс

Рисунок 7 – Неравномерность переходной характеристики модуля 100 ГГц на участке 500 пс…100 нс

4. Измерения неравномерности АЧХ

Измерение неравномерности АЧХ стробоскопического модуля было сделано с использованием векторного анализатора цепей до 65 ГГц в качестве источника сигнала. Перед тестом была проведена калибровка анализатора, для этого к выходу анализатора подключили измеритель мощности и измерялась реальная выходная мощность на выбранных частотах вплоть до 65 ГГц. Затем выход анализатора был подключен к стробоскопическому модулю 100 ГГц, а сам модуль был подключен к «корзине» коммерческого стробоскопического осциллографа. Измерялись по осциллографу пиковые значения напряжения на каждой частоте, записывались и сравнивались с известной входной мощностью. Полученный график неравномерности АЧХ модуля 100 ГГц приведен на рис. 8.

Рисунок 8 – Неравномерность АЧХ модуля 100 ГГц

5. Измерения джиттера

Измерения джиттера пока еще не проведены для 100 ГГц стробоскопических модулей. Тем не менее, они были проведены для модулей 25 ГГц. Данные по джиттеру для модуля 25 ГГц могут быть применимы и для версии 100 ГГц, так как оба модуля имеют идентичную схему.

Джиттер определялся с помощью импульсного сигнала с коротким известным временем нарастания. Импульсный сигнал расщеплялся для получения сигналов на СВЧ вход и на вход строб-генератора модуля. Соответственно, предполагается в этом случае, что джиттер между фронтом строб-импульса и фронтом СВЧ-сигнала равен нулю.

Затем, время запуска строб-импульса настраивалось с использованием линии задержки так, чтобы выборка ВЧ сигнала происходила около середины времени нарастания импульса (уровень 50%, где скорость нарастания постоянна и известна). Выход напряжения с модуля регистрировалось в течение некоторого времени. Любые отклонения в напряжении с модуля считались вызванными временным джиттером, производимым стробоскопическим модулем. Значения напряжения переводились во временные с использованием известного значения скорости нарастания сигнала [В/с]. Распределение измеренных значений для тестируемого модуля приведено на рис. 9. Среднее квадратическое отклонение этих значений является джиттером (скз). Для приведенных данных джиттер составляет 172 фс скз, как измеренный между строб-входом и апертурой выборки.

Рисунок 9 – Данные по среднеквадратическому значению джиттера для модуля 25 ГГц

6. Измерения линейности/динамического диапазона

Линейность модуля 100 ГГц измерялась путем подачи на вход известного постоянного напряжения и измерения напряжения на выходе ПЧ. Постоянное напряжение изменялось пошагово во всем динамическом диапазоне модуля и производилось на нескольких различных скоростях следования строб-импульсов. Во всем динамическом диапазоне  2 Впик, нескорректированная нелинейность составила порядка 8% и скорректированная нелинейность – около 0.1% (рис. 10).

Рисунок 10 – Измеренная и скорректированная линейность для модуля 100 ГГц

7. Измерения приведенного ко входу шума

Измерения шума проводились путем подключения согласованной нагрузки 50 Ом ко входу модуля 100 МГц и серии измерений напряжения с выхода усилителя заряда ПЧ модуля. Перед проведением измерений, оценивался собственный шум аппаратуры, используемой для измерений напряжения с выхода усилителя заряда ПЧ, и это значений вычиталось из полученного результата для стробоскопического модуля. Рис.11 показывает распределение измеренного значения шума для 7 различных модулей 100 ГГц. Полученный результат составляет около 2,5 мВскз или 0,1% от динамического диапазона.

Рисунок 11 -  Измеренные значения среднеквадратического значения шума для 7 модулей 100 ГГц

8. Заключение

Компания Picosecond  изготовила и протестировала высокоскоростной стробоскопический модуль эквивалентного времени, включающий в себя смеситель, строб-генератор, усилитель заряда ПЧ и схему компенсации перегрузки. Различные тесты модулей были проведены как на измерительных системах собственного производства, так и с помощью «корзин» от коммерческих стробоскопических осциллографов. Измеренные характеристики модулей демонстрируют, что они будут отлично работать как для построения глазковых диаграмм сигналов 40 Гб/с NRZ и RZ, так и для других высокоскоростных широкополосных электрических измерений. Суммарные характеристики модулей приведены в таблице 1.

Таблица 1
Время нарастания	Около 3 пс
Полоса пропускания	Оценка 113 ГГц
Неравномерность АЧХ	Нет спада до 65 ГГц как минимум
Джиттер	172 фс скз
Динамический диапазон	2 Впик
Линейность	8% без коррекции, 0,1% с коррекцией
Собственный шум	2,5 мВскз
Частота следования строб-импульсов	От однократного до 10 МГц
Обобщенные характеристики модуля 100 ГГц

Список литературы:

1. "50 Years of RF and Microwave Sampling", M. Kahrs, pending publication.
2. US Patent Applications 20020167373 and 20020145484.
3. Agilent (www.agilent.com) and Tektronix (www.tektronix.com) websites.
4. A. Agoston, S. Pepper, R. Norton, J. Ebner, K. Schoen, "100 GHz Sampler System with Sampling Rates in Excess of 10 Gsamples/second", IMS 2003, Philadelphia, Pennsylvania, June 8-13, 2003.

 

Примечание:

1. Модули производства компании Picosecond используются в стробоскопических осциллографах серии LeCroy WaveExpert.
2. По технологии NLTL компания Picosecond выпускает не только интегрированные в модули генераторы строб-импульсов, но и отдельные генераторы перепадов с временем нарастания до 3 пс.

Автор:  Agoston Agoston, Steve Pepper, Robert Norton, John Ebner и Kipp Schoen; перевод с англ. Пивак А.В. к.т.н.
Дата публикации:  21.05.2007