示波器本底噪声对眼图有什么影响？

    示波器作为数字信号调试和分析的通用工具，近十多年来在高速串行信号的一致性测试和分析中得到了广泛应用，从最初的 USB2.0/Ethernet 等到当下热门 HDMI2.0/USB3.x/Display Port/PCIE等。近几年，随着信号速率的持续推高和信号处理技术发展的需要，示波器在高速眼图调试和分析中也已经日益成为最重要的工具，广泛应用在 10G/40G/100G 高速信号传输的眼图调试中。

    传统上，我们通常对示波器的四个常规指标如带宽，采样率，存储和触发的重要性都有很深刻的认识，本文在此不再赘述。

    首先我们来看看示波器的本底噪声来自于哪里？

示波器的本底噪声

    典型的数字示波器的架构如下图1示：

▲ 图1示波器的典型结构图

    示波器的模拟带宽主要取决于衰减器，其主要作用是将大信号衰减到ADC的最佳工作量程范围内，而放大器则是为了对小信号放大到ADC的最佳工作量程范围内。示波器的本底噪声也主要来自于上图中的衰减器和前置放大器部分,这是任何电路和部件本身无法完全消除的，这个本底噪声会叠加在信号上，ADC在采样时是无法区分的也即ADC采样时会全部量化，而这个本底噪声也会被当成为信号的一部分。衰减器在对信号衰减后，示波器在完成采样后做信号处理时重新放大信号,而这个重新放大的过程同时也会把前端的衰减器的本底噪声进行放大。

▲ 图2 本底噪声如何引入示意

    因此作为示波器前端部件性能的衡量指标的本底噪声数值就成为示波器产品手册上必须标注的一个指标。

    那么这一指标参数到底对高速串行信号眼图测试的影响有多大呢？

眼图测试

    眼图测试的必测参数之一是眼高：

▲ 图3 眼图测试示意图

    上图是一个典型的眼图测试各指标的示意图。其中眼高定义如下：

Eye Height = (PTop_mean-3*PTop_sigma)-(PBase_mean+3*PBase_sigma)

    PTop_sigma即为眼图波形顶部的噪声标准偏差或均方根值，PBase_sigma为眼图波形底部的噪声标准偏差或均方根值。由此可见，眼高最终结果与波形噪声标准偏差有直接关系。而波形噪声标准偏差不仅仅与波形本身有关，如前文所述与示波器的本底噪声也是紧密相关的。

    如下图示，即便是同品牌同带宽的示波器产品, 本底噪声水平也是不同的。这里是两款 4 GHz 带宽示波器测试同一个信号的眼图。两款示波器的带宽、垂直/水平设置完全相同。您可以看到, 右图 Infiniium S 系列示波器由于其低噪底和10bit ADC等特性更真实地再现了信号的眼图, 眼图高度比左图高 200 mV,提供了一个误差更小精度更高的测量结果。

▲ 图4 不同底噪的示波器眼图测试效果差异

    以上我们讨论了示波器的本底噪声对串行信号眼图测试精度的直接影响。

    在众多接口类高速串行信号物理层一致性测试(Compliance Test)中,如 USB3.x/ HDMI2.0/DP/SATA/PCIE3.0/SFP+ 等，为了实现一致性测试的标准化和兼容性通常采用夹具配合高频电缆将信号连接到示波器上。随着信号速率的持续推高，夹具的有限带宽正在日益成为高速信号测试中的误差来源之一。以HDMI2.0测试为例，下图是由Wilder公司提供的HDMI2.0 TPA-P夹具。根据Wilder公司的数据，去除(De-Embedding)夹具中的连接器引起的损耗后-3dB带宽可达26.5GHz与去除之前相比有非常显著的改善。也就是说在实际的测试系统中，由于夹具有限性能引入了额外的测试误差，事实上夹具本身不是真实运行系统中的一部分而只是为了归一化测试环境和方便测试。在今天的高速串行信号测试中随着信号速率的提高，系统裕量越来越小，夹具引入的测试误差已经成为不可忽略的因素,因此夹具的去嵌正在成为高速串行信号一致性测试中的一部分。

▲ 图5 Wilder公司HDMI2.0夹具和夹具去嵌效果示意图

既然去嵌如此重要，那么去嵌的原理是什么呢？

▲ 图6 夹具去嵌理论示意图

    如上图所示,最下方的曲线是夹具本身的频响曲线,其-3dB频点在5GHz左右。采用黄色曲线进行逆向放大后得到最终中间的曲线其-3dB频点在9GHz左右，大大的补偿了夹具在5GHz-9GHz的损耗.前面描述的这个过程就是夹具的去嵌(De-Embedding),也就是说通过这个信号处理将额外的为了方便测试和标准化而引入