述评SPARQ系列网络分析仪之八：SPARQ 动态范围

本文将讨论信号完整性网络分析仪SPARQ动态范围以及考虑一些关键指标的影响，并和竞争对手的两种时域测试设备在动态范围和关键指标进行了深入比较，提供了推导过程并通过实验结果来验证计算的准确性。

动态范围

任何基于TDR测试设备的动态范围都可以通过下面这个公式计算：

此处：
•f：频率(GHz)
•T：用来平均的整体时间
公式中的一些参数在SPARQ中的对应数据如下表：

SPARQ的1次采样是250次/S硬件平均后的结果，包含3种模式：预览模式（1次采样平均）、正常模式（10次采样平均）、增强模式（100次采样平均）。

Note[2]：在公式2中，线缆损耗被当作外部线缆被忽略，这是由于线缆标准一般是用户自定义，所以动态范围以设备端口的典型值来定义。

影响动态范围的因素

在动态范围公式[1] 中，有几个影响较大的因素需要讨论。第一当然是公认的一些因素。相对于频率，动态范围会以20dB/每10阶（或6dB/每8阶）的程度下降，器件频率变 化时需要注意动态范围下降的影响。如果整个波形被看做一个脉冲，则这个影响可以被忽略。它的影响可以被描述实际阶跃响应的表达式P(f)抵消。

我们普遍的共识是，动态范围强烈依赖于步进大小。每次步进幅度的倍增会让动态范围以6dB的大小上升，尽管高频成份在P(f)被描述（但是并不涉及脉冲发生器和采样器反应的不同之处）。

动态范围与随机噪声、线缆和夹具的损耗成正比关系，但是可以通过高采样率来补偿。实际采样率(或者说一次采样等待时间减小)的倍增会使动态范围以3dB的幅度上升（采样率10倍增使动态范围以10dB的幅度增加）。

在公式中，分母部分的表明，捕获时间的长度会对动态范围有比较大的影响。因为平方的原因使其对动态范围的影响是2 倍的关系。一个影响是噪声会被引入采样中。对于实际信号而言，测试捕获的波形只是其中一部分，而噪声则会影响到整个捕获过程。随着捕获时间的增加，信号中 噪声的量级并不会增加。Frac说明了去噪算法，提供了对采集区域限制也包含了信号对这种影响的抵消。第二个影响因素是均值。更长的捕获需要更长时间的采 样。现在一些更复杂的考虑则并非公认的。首先是噪声频带限制的影响（fbw）。很多情况下，在等时间采样范围内的噪声是白噪声。如果主要的噪声来源于 ADC的量化影响，则以上表述就尤其正确。这就意味着全部噪声能量是符合乃奎斯特定律。这种情况下,fbw=且 忽略这些项目。这种状况下，动态范围完全依赖于等时采样率。这样似乎与正常的想法不一样，一般来说增加采样率会导致更多的噪声以至于超出了感兴趣的频谱范 围，但是这个影响是完全可以通过捕获时间增加来消除，因此采样数量的增加是能够被平均的。当走线噪声是在规范定义的带宽限制内时（这也是大多数的情况）， 动态范围事实上可以通过来计算，当然看起来似乎是不合规律的，但你需要考虑到这个频率限制是符合乃奎斯特定律的，同时捕获不必要过采样（当然这是理论上的，而不是实际上的运算考虑）。为了取得在限制带宽和非限制对噪声的影响，必须要使用这种调整来比较。

SPARQ动态范围技术

SPARQ设计中有几个关键的影响动态范围的方面做了折衷考虑。让SPARQ能够同时满足低成本和易用性，通过使用一个脉冲发生器和2个采样器实现低成本 和易用性，原因是TDR发生器是主要的成本来源。而使用最小工作配置的脉冲发生器/采样器也能够与易用性相吻合。因为单一脉冲发生器和采样器必须要能够在 测试时与每一个SPARQ的端口相连接，这就需要一个高频率的开关装置，这个开关设备能够将测试设备校准到内部的标准参考面而不需要多次的连接和断开的动 作。这个内部校准能力可以实现更简单方便的操作。这个能力也是SPARQ动态范围较大的一个标签，因为开关系统增加了整个系统的损耗，更重要的是它增加了 长度。

正如我们在动态范围公式中看到的，设备中内部脉冲发生器/采样器和设备前面板端口之间路径的损耗使动态范围减小了2次，因为信号必须要从脉冲发生器产生然 后到端口，中间经过DUT，最后经过端口返回采样器。事实上，这个过程使SPARQ的动态范围下降了7dB。长度是一个更大的因素，因为最终的捕获长度包 含了至少4次的系统增加的额外长度。这将使SPARQ的动态范围下降13dB。所以，总共使动态范围下降了20dB左右。

如果设计仅仅到此，那么SPARQ就只是一个廉价的对实际测试没有更大帮助的设备，但事实上SPARQ包含的很多技术指标不仅能有效纠正20dB动态范围的减小，同时也能够提供比其他基于TDR方案的设备更高的动态范围。

第一个特点是脉冲发生器/采样器的响应。