述评SPARQ系列网络分析仪之八：SPARQ 动态范围

大部分的TDR系统使用高幅值（250mV）但频率成分比较少的脉冲。SPARQ使用相似幅度的脉冲，但其脉冲响 应却能使40GHz时的动态范围上升12dB。事实上，这个脉冲发生器/采样器的影响直到65GHz时才为0dB. 这个脉冲发生器/采样器是非常高频的。其他的都不能提供类似的脉冲，因为SPARQ的脉冲看起来并不是非常漂亮—它有80%-100%的过冲—在传统的以 视觉检验脉冲响应的TDR应用中显的没有什么吸引力。SPARQ的主要任务是提供S参数和校准时域响应，这些也是动态范围和精确度的需要—超越视觉吸引力 的真实脉冲。总之，通过非平坦脉冲能够使动态范围提升12dB。

第二个特点是被力科专利保护的连续间隔采样（CIS）。传统的TDR系统是基于顺序采样，这种采样方式速度慢且来自时基非线性影响也是不能忍受的。一些顺 序采样也可能带来更多的错误。时基非线性不会对动态范围产生负面影响，但可能对精确度产生负面影响。力科的CIS能够提供采样时钟，这个时钟在使用 10MS/s采样5MHz的重复TDR脉冲时产生轻微的偏移。这就允许更高的采样率而不会有时基非线性的问题。CIS不仅有更好的精确度，它也使建立和操 作硬件的快速平均更加简单。相对于其他顺序采样系统而言，采样系统的速度提升能够带来12dB-18dB的动态范围提升。不幸的是，当采样器的采样率提升 时会带来更大的噪声，所以考虑到高采样率下噪声的增加，整体系统的动态范围只能提升6dB. 最后说明的是，由于这个好处很大程度上依赖快速平均，所以设备本身的设计非常重要，要确保平均过程能够真正提升动态范围。测试内容见附录C effect of Averaging

最后一个特点是采用Wavelet denoising的数字信号处理技术来消除噪声。这类技术通常用于雷达、图形处理、心电图系统。这类技术的影响很难被量化，但最简单的观察它的影响的方 法是：这种去噪算法消除了在没有反射时捕获持续更长时间时产生的噪声。对于一个比较走线较短的设备，这种处理能增加约10dB的动态范围，对于走线较长的 设备，动态范围的提升更大明显。当设备端口间有更好的隔离时，wavejet denoising技术可以带来远大于10dB的动态范围提升。

以上3个技术特点，使SPARQ的动态范围可以提升26dB，这使的SPARQ的动态范围在消除为实现低成本和易用性而产生的20dB下降后，仍能提升6dB。这是噪声的一半或者2倍的频率，无论你想用那种方式。

SPARQ动态范围是量化的，下一节中有其参数与竞争仪器设备的比较。注意，可以从表中与竞争仪器设备数据的对比直接计算出最终的动态范围，而且计算结果可以看出无论是精确性还是最终的优化都好于竞争仪器设备。

1．使用TEK DSA 8200采样示波器和80E10 TDR模块做40GHz测量的标准
2．使用Agilent 86100C采样示波器+54754A TDR模块+PSPL 4020 NLTS +86118A 采样模块做40GHz测量时的标准
3．阶跃幅度250mV、150KS/s的实际采样率，-50dB噪声（带宽限制为40GHz），在40GHz时0dB响应，没有模块在端口的损耗，50ns的捕获长度，40GHz频率，10秒的捕获平均，200GS/s等时间采样率，结果会上升到25
4．注意因为所有的噪声标准都是40GHz带宽下的，所以采用80GS/s的采样率。动态范围方程显示了SNR增加与采样率的关系而不是受带宽限制后噪声的影响。对于带宽限制下的噪声，设置采样率实际上是2次带宽限制。
5．使用45ns作为捕获长度，尽管标准是50ns，一半被用作边沿位置。
6．尽管CIS是非常快的，但只有25%的采样被使用，因为CIS需要200ns脉冲重复周期。CIS的其他优势是线性时基，但是这个有点在动态范围中不能被量化
7．在乃奎斯特定律下，100GHz时会有-46dBm的白噪声，当带宽限制到40GHz时，会有4dB的提升---测试验证的数据
8．370uV的典型标准小于有效保证结果的470uV标准
9．标准规定50GHz带宽限制时是700uV，所以当带宽限制为40GHz有1dB的提升10．增益的提升是由SPARQ所发脉冲的过冲产生，实际的脉冲频率响应在65GHz为0dB
11．规格书标明4020产生200mV阶跃幅度等于输入门限幅度
12．线缆和开关的损耗减轻了内部校准的负担
13．SPARQ 3.6ns的电信号长度需要额外的14.4ns的捕获。校准补偿单元需要额外的捕获长度中的时间平均和噪声
14．专利等待中，保守估计，10%的波形实际上包含反射
15．这个数据可以从tek的规格书中找到。Tek显示40GHz时，250次平均得到45dB。这个平均是10秒的平均，（带长度credit），是210次平均能增加1dB
16．Agilent 显示了32GHz 64次平均下为20dB。我们比较40次平均，但考虑到电信号模组到端口的长度，我们比较56次平均。同过实际测量（40GHz时），这个数值会再下降 2dB，实际的动态范围为18dB。我们无法解释这里的31dB与agilent标准所提供的18dB之间所出现的这种偏差。