述評(píng)SPARQ系列網(wǎng)絡(luò)分析儀之八：SPARQ 動(dòng)態(tài)范圍

本文將討論信號(hào)完整性網(wǎng)絡(luò)分析儀SPARQ動(dòng)態(tài)范圍以及考慮一些關(guān)鍵指標(biāo)的影響，并和競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的兩種時(shí)域測(cè)試設(shè)備在動(dòng)態(tài)范圍和關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行了深入比較，提供了推導(dǎo)過(guò)程并通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)驗(yàn)證計(jì)算的準(zhǔn)確性。

動(dòng)態(tài)范圍

任何基于TDR測(cè)試設(shè)備的動(dòng)態(tài)范圍都可以通過(guò)下面這個(gè)公式計(jì)算：

此處：
•f：頻率(GHz)
•T：用來(lái)平均的整體時(shí)間
公式中的一些參數(shù)在SPARQ中的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)如下表：

SPARQ的1次采樣是250次/S硬件平均后的結(jié)果，包含3種模式：預(yù)覽模式（1次采樣平均）、正常模式（10次采樣平均）、增強(qiáng)模式（100次采樣平均）。

Note[2]：在公式2中，線(xiàn)纜損耗被當(dāng)作外部線(xiàn)纜被忽略，這是由于線(xiàn)纜標(biāo)準(zhǔn)一般是用戶(hù)自定義，所以動(dòng)態(tài)范圍以設(shè)備端口的典型值來(lái)定義。

影響動(dòng)態(tài)范圍的因素

在動(dòng)態(tài)范圍公式[1] 中，有幾個(gè)影響較大的因素需要討論。第一當(dāng)然是公認(rèn)的一些因素。相對(duì)于頻率，動(dòng)態(tài)范圍會(huì)以20dB/每10階（或6dB/每8階）的程度下降，器件頻率變 化時(shí)需要注意動(dòng)態(tài)范圍下降的影響。如果整個(gè)波形被看做一個(gè)脈沖，則這個(gè)影響可以被忽略。它的影響可以被描述實(shí)際階躍響應(yīng)的表達(dá)式P(f)抵消。

我們普遍的共識(shí)是，動(dòng)態(tài)范圍強(qiáng)烈依賴(lài)于步進(jìn)大小。每次步進(jìn)幅度的倍增會(huì)讓動(dòng)態(tài)范圍以6dB的大小上升，盡管高頻成份在P(f)被描述（但是并不涉及脈沖發(fā)生器和采樣器反應(yīng)的不同之處）。

動(dòng)態(tài)范圍與隨機(jī)噪聲、線(xiàn)纜和夾具的損耗成正比關(guān)系，但是可以通過(guò)高采樣率來(lái)補(bǔ)償。實(shí)際采樣率(或者說(shuō)一次采樣等待時(shí)間減小)的倍增會(huì)使動(dòng)態(tài)范圍以3dB的幅度上升（采樣率10倍增使動(dòng)態(tài)范圍以10dB的幅度增加）。

在公式中，分母部分的表明，捕獲時(shí)間的長(zhǎng)度會(huì)對(duì)動(dòng)態(tài)范圍有比較大的影響。因?yàn)槠椒降脑蚴蛊鋵?duì)動(dòng)態(tài)范圍的影響是2 倍的關(guān)系。一個(gè)影響是噪聲會(huì)被引入采樣中。對(duì)于實(shí)際信號(hào)而言，測(cè)試捕獲的波形只是其中一部分，而噪聲則會(huì)影響到整個(gè)捕獲過(guò)程。隨著捕獲時(shí)間的增加，信號(hào)中 噪聲的量級(jí)并不會(huì)增加。Frac說(shuō)明了去噪算法，提供了對(duì)采集區(qū)域限制也包含了信號(hào)對(duì)這種影響的抵消。第二個(gè)影響因素是均值。更長(zhǎng)的捕獲需要更長(zhǎng)時(shí)間的采 樣?，F(xiàn)在一些更復(fù)雜的考慮則并非公認(rèn)的。首先是噪聲頻帶限制的影響（fbw）。很多情況下，在等時(shí)間采樣范圍內(nèi)的噪聲是白噪聲。如果主要的噪聲來(lái)源于 ADC的量化影響，則以上表述就尤其正確。這就意味著全部噪聲能量是符合乃奎斯特定律。這種情況下,fbw=且 忽略這些項(xiàng)目。這種狀況下，動(dòng)態(tài)范圍完全依賴(lài)于等時(shí)采樣率。這樣似乎與正常的想法不一樣，一般來(lái)說(shuō)增加采樣率會(huì)導(dǎo)致更多的噪聲以至于超出了感興趣的頻譜范 圍，但是這個(gè)影響是完全可以通過(guò)捕獲時(shí)間增加來(lái)消除，因此采樣數(shù)量的增加是能夠被平均的。當(dāng)走線(xiàn)噪聲是在規(guī)范定義的帶寬限制內(nèi)時(shí)（這也是大多數(shù)的情況）， 動(dòng)態(tài)范圍事實(shí)上可以通過(guò)來(lái)計(jì)算，當(dāng)然看起來(lái)似乎是不合規(guī)律的，但你需要考慮到這個(gè)頻率限制是符合乃奎斯特定律的，同時(shí)捕獲不必要過(guò)采樣（當(dāng)然這是理論上的，而不是實(shí)際上的運(yùn)算考慮）。為了取得在限制帶寬和非限制對(duì)噪聲的影響，必須要使用這種調(diào)整來(lái)比較。

SPARQ動(dòng)態(tài)范圍技術(shù)

SPARQ設(shè)計(jì)中有幾個(gè)關(guān)鍵的影響動(dòng)態(tài)范圍的方面做了折衷考慮。讓SPARQ能夠同時(shí)滿(mǎn)足低成本和易用性，通過(guò)使用一個(gè)脈沖發(fā)生器和2個(gè)采樣器實(shí)現(xiàn)低成本 和易用性，原因是TDR發(fā)生器是主要的成本來(lái)源。而使用最小工作配置的脈沖發(fā)生器/采樣器也能夠與易用性相吻合。因?yàn)閱我幻}沖發(fā)生器和采樣器必須要能夠在 測(cè)試時(shí)與每一個(gè)SPARQ的端口相連接，這就需要一個(gè)高頻率的開(kāi)關(guān)裝置，這個(gè)開(kāi)關(guān)設(shè)備能夠?qū)y(cè)試設(shè)備校準(zhǔn)到內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)參考面而不需要多次的連接和斷開(kāi)的動(dòng) 作。這個(gè)內(nèi)部校準(zhǔn)能力可以實(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)單方便的操作。這個(gè)能力也是SPARQ動(dòng)態(tài)范圍較大的一個(gè)標(biāo)簽，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)系統(tǒng)增加了整個(gè)系統(tǒng)的損耗，更重要的是它增加了 長(zhǎng)度。

正如我們?cè)趧?dòng)態(tài)范圍公式中看到的，設(shè)備中內(nèi)部脈沖發(fā)生器/采樣器和設(shè)備前面板端口之間路徑的損耗使動(dòng)態(tài)范圍減小了2次，因?yàn)樾盘?hào)必須要從脈沖發(fā)生器產(chǎn)生然 后到端口，中間經(jīng)過(guò)DUT，最后經(jīng)過(guò)端口返回采樣器。事實(shí)上，這個(gè)過(guò)程使SPARQ的動(dòng)態(tài)范圍下降了7dB。長(zhǎng)度是一個(gè)更大的因素，因?yàn)樽罱K的捕獲長(zhǎng)度包 含了至少4次的系統(tǒng)增加的額外長(zhǎng)度。這將使SPARQ的動(dòng)態(tài)范圍下降13dB。所以，總共使動(dòng)態(tài)范圍下降了20dB左右。

如果設(shè)計(jì)僅僅到此，那么SPARQ就只是一個(gè)廉價(jià)的對(duì)實(shí)際測(cè)試沒(méi)有更大幫助的設(shè)備，但事實(shí)上SPARQ包含的很多技術(shù)指標(biāo)不僅能有效糾正20dB動(dòng)態(tài)范圍的減小，同時(shí)也能夠提供比其他基于TDR方案的設(shè)備更高的動(dòng)態(tài)范圍。

第一個(gè)特點(diǎn)是脈沖發(fā)生器/采樣器的響應(yīng)。大部分的TDR系統(tǒng)使用高幅值（250mV）但頻率成分比較少的脈沖。SPARQ使用相似幅度的脈沖，但其脈沖響 應(yīng)卻能使40GHz時(shí)的動(dòng)態(tài)范圍上升12dB。事實(shí)上，這個(gè)脈沖發(fā)生器/采樣器的影響直到65GHz時(shí)才為0dB. 這個(gè)脈沖發(fā)生器/采樣器是非常高頻的。其他的都不能提供類(lèi)似的脈沖，因?yàn)镾PARQ的脈沖看起來(lái)并不是非常漂亮—它有80%-100%的過(guò)沖—在傳統(tǒng)的以 視覺(jué)檢驗(yàn)脈沖響應(yīng)的TDR應(yīng)用中顯的沒(méi)有什么吸引力。SPARQ的主要任務(wù)是提供S參數(shù)和校準(zhǔn)時(shí)域響應(yīng)，這些也是動(dòng)態(tài)范圍和精確度的需要—超越視覺(jué)吸引力 的真實(shí)脈沖。總之，通過(guò)非平坦脈沖能夠使動(dòng)態(tài)范圍提升12dB。

第二個(gè)特點(diǎn)是被力科專(zhuān)利保護(hù)的連續(xù)間隔采樣（CIS）。傳統(tǒng)的TDR系統(tǒng)是基于順序采樣，這種采樣方式速度慢且來(lái)自時(shí)基非線(xiàn)性影響也是不能忍受的。一些順 序采樣也可能帶來(lái)更多的錯(cuò)誤。時(shí)基非線(xiàn)性不會(huì)對(duì)動(dòng)態(tài)范圍產(chǎn)生負(fù)面影響，但可能對(duì)精確度產(chǎn)生負(fù)面影響。力科的CIS能夠提供采樣時(shí)鐘，這個(gè)時(shí)鐘在使用 10MS/s采樣5MHz的重復(fù)TDR脈沖時(shí)產(chǎn)生輕微的偏移。這就允許更高的采樣率而不會(huì)有時(shí)基非線(xiàn)性的問(wèn)題。CIS不僅有更好的精確度，它也使建立和操 作硬件的快速平均更加簡(jiǎn)單。相對(duì)于其他順序采樣系統(tǒng)而言，采樣系統(tǒng)的速度提升能夠帶來(lái)12dB-18dB的動(dòng)態(tài)范圍提升。不幸的是，當(dāng)采樣器的采樣率提升 時(shí)會(huì)帶來(lái)更大的噪聲，所以考慮到高采樣率下噪聲的增加，整體系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍只能提升6dB. 最后說(shuō)明的是，由于這個(gè)好處很大程度上依賴(lài)快速平均，所以設(shè)備本身的設(shè)計(jì)非常重要，要確保平均過(guò)程能夠真正提升動(dòng)態(tài)范圍。測(cè)試內(nèi)容見(jiàn)附錄C effect of Averaging

最后一個(gè)特點(diǎn)是采用Wavelet denoising的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)來(lái)消除噪聲。這類(lèi)技術(shù)通常用于雷達(dá)、圖形處理、心電圖系統(tǒng)。這類(lèi)技術(shù)的影響很難被量化，但最簡(jiǎn)單的觀察它的影響的方 法是：這種去噪算法消除了在沒(méi)有反射時(shí)捕獲持續(xù)更長(zhǎng)時(shí)間時(shí)產(chǎn)生的噪聲。對(duì)于一個(gè)比較走線(xiàn)較短的設(shè)備，這種處理能增加約10dB的動(dòng)態(tài)范圍，對(duì)于走線(xiàn)較長(zhǎng)的 設(shè)備，動(dòng)態(tài)范圍的提升更大明顯。當(dāng)設(shè)備端口間有更好的隔離時(shí)，wavejet denoising技術(shù)可以帶來(lái)遠(yuǎn)大于10dB的動(dòng)態(tài)范圍提升。

以上3個(gè)技術(shù)特點(diǎn)，使SPARQ的動(dòng)態(tài)范圍可以提升26dB，這使的SPARQ的動(dòng)態(tài)范圍在消除為實(shí)現(xiàn)低成本和易用性而產(chǎn)生的20dB下降后，仍能提升6dB。這是噪聲的一半或者2倍的頻率，無(wú)論你想用那種方式。

SPARQ動(dòng)態(tài)范圍是量化的，下一節(jié)中有其參數(shù)與競(jìng)爭(zhēng)儀器設(shè)備的比較。注意，可以從表中與競(jìng)爭(zhēng)儀器設(shè)備數(shù)據(jù)的對(duì)比直接計(jì)算出最終的動(dòng)態(tài)范圍，而且計(jì)算結(jié)果可以看出無(wú)論是精確性還是最終的優(yōu)化都好于競(jìng)爭(zhēng)儀器設(shè)備。

1．使用TEK DSA 8200采樣示波器和80E10 TDR模塊做40GHz測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)
2．使用Agilent 86100C采樣示波器+54754A TDR模塊+PSPL 4020 NLTS +86118A 采樣模塊做40GHz測(cè)量時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)
3．階躍幅度250mV、150KS/s的實(shí)際采樣率，-50dB噪聲（帶寬限制為40GHz），在40GHz時(shí)0dB響應(yīng)，沒(méi)有模塊在端口的損耗，50ns的捕獲長(zhǎng)度，40GHz頻率，10秒的捕獲平均，200GS/s等時(shí)間采樣率，結(jié)果會(huì)上升到25
4．注意因?yàn)樗械脑肼晿?biāo)準(zhǔn)都是40GHz帶寬下的，所以采用80GS/s的采樣率。動(dòng)態(tài)范圍方程顯示了SNR增加與采樣率的關(guān)系而不是受帶寬限制后噪聲的影響。對(duì)于帶寬限制下的噪聲，設(shè)置采樣率實(shí)際上是2次帶寬限制。
5．使用45ns作為捕獲長(zhǎng)度，盡管標(biāo)準(zhǔn)是50ns，一半被用作邊沿位置。
6．盡管CIS是非?？斓模挥?5%的采樣被使用，因?yàn)镃IS需要200ns脈沖重復(fù)周期。CIS的其他優(yōu)勢(shì)是線(xiàn)性時(shí)基，但是這個(gè)有點(diǎn)在動(dòng)態(tài)范圍中不能被量化
7．在乃奎斯特定律下，100GHz時(shí)會(huì)有-46dBm的白噪聲，當(dāng)帶寬限制到40GHz時(shí)，會(huì)有4dB的提升---測(cè)試驗(yàn)證的數(shù)據(jù)
8．370uV的典型標(biāo)準(zhǔn)小于有效保證結(jié)果的470uV標(biāo)準(zhǔn)
9．標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定50GHz帶寬限制時(shí)是700uV，所以當(dāng)帶寬限制為40GHz有1dB的提升10．增益的提升是由SPARQ所發(fā)脈沖的過(guò)沖產(chǎn)生，實(shí)際的脈沖頻率響應(yīng)在65GHz為0dB
11．規(guī)格書(shū)標(biāo)明4020產(chǎn)生200mV階躍幅度等于輸入門(mén)限幅度
12．線(xiàn)纜和開(kāi)關(guān)的損耗減輕了內(nèi)部校準(zhǔn)的負(fù)擔(dān)
13．SPARQ 3.6ns的電信號(hào)長(zhǎng)度需要額外的14.4ns的捕獲。校準(zhǔn)補(bǔ)償單元需要額外的捕獲長(zhǎng)度中的時(shí)間平均和噪聲
14．專(zhuān)利等待中，保守估計(jì)，10%的波形實(shí)際上包含反射
15．這個(gè)數(shù)據(jù)可以從tek的規(guī)格書(shū)中找到。Tek顯示40GHz時(shí)，250次平均得到45dB。這個(gè)平均是10秒的平均，（帶長(zhǎng)度credit），是210次平均能增加1dB
16．Agilent 顯示了32GHz 64次平均下為20dB。我們比較40次平均，但考慮到電信號(hào)模組到端口的長(zhǎng)度，我們比較56次平均。同過(guò)實(shí)際測(cè)量（40GHz時(shí)），這個(gè)數(shù)值會(huì)再下降 2dB，實(shí)際的動(dòng)態(tài)范圍為18dB。我們無(wú)法解釋這里的31dB與agilent標(biāo)準(zhǔn)所提供的18dB之間所出現(xiàn)的這種偏差。