32GHz带宽实时示波器技术揭秘（五）

高端示波器（2GHz带宽或以上）的市场需求或应用通常分为四大领域，信号完整性测试、一致性测试、调试、分析，三大示波器公司在进入高端示波器领域的时候，通常选择的是其中一个或两个作为切入点，经过多年的自我发展和竞争挤压，已经露出各家追求的方向、风格和各自优势，图1概括了示波器市场需求的四个层面，信号完整性在示波器指标中的重要性，是最近几年的事情，标志性的变化是示波器的产品资料（Datasheet）中开始出现或强调两个东西，一是底噪声指标，另一个是降低噪声选件（实际的作用是灵活的带宽限制设定），磷化铟示波器的出现到底在哪一方面得到了实质性的突破？

安捷伦科技在2002年推出第一台4个通道同时支持6GHz带宽示波器的时候，打的是信号完整性的牌，当初只有一个应用软件，就是抖动分析软件，后来陆续推出高速串行信号分析软件、各种串行信号一致性测试软件、眼图故障定位和三级触发调试、协议触发和分析等功能，并在HDMI和USB领域几乎主导了所有官方测试认证实验室。磷化铟示波器出现，的确引发了新的应用软件，包括光信号调制分析软件，SAS 12Gbps 等，但这些都不是重点，磷化铟示波器最大的贡献是在信号完整性方面。

图1 高端示波器（2GHz带宽或以上）的示波器市场需求

磷化铟示波器在信号完整性方面的贡献在工程师的日常测试工作中可以从三个方面去体验：

眼图分析

均衡处理

去嵌入或加嵌入

眼图分析

90000 X系列磷化铟示波器因为本底噪声和本底测量抖动表现突出，与传统的锗硅示波器相比，在测量高速串行信号眼图的时候，能够看出明显的区别，图2显示同样是20GHz带宽的示波器，同样是10.3125 Gbps的伪随机码串行信号，磷化铟示波器测量到的眼睛更大，在眼高和眼宽方面，大的程度超过25% 。

图2 90000 X 系列磷化铟示波器和锗硅示波器，在20GHz带宽的情况下测量相同的10.3125Gbps信号眼图，磷化铟示波器测得眼图、眼高和眼宽优异程度超过25%

这主要是由这两种不同的半导体技术导致的示波器本底噪声不同造成的，另一个因素是两种技术的测量抖动底差异显着。 谈到本底噪声带来的差异，工程师通常会想到，本底噪声低意味着动态范围大，在这方面，频谱分析仪毫无疑问是远比示波器好的仪器，我们不妨以频谱分析仪为例，测量一下PCI-E Gen III 8Gbps的1010序列信号，实际上，就是4GHz的时钟，您可以看到如图3所示，基波（4GHz）、2次谐波（8GHz）、3次谐波（12GHz）、5次谐波（20GHz），这是因为频谱仪的动态范围足够大，在该例中，超过 80dBm；磷化铟示波器本底噪声的改进，仍然和频谱仪不能相提并论，这是因为示波器是宽带仪器，频谱仪是窄带仪器，和锗硅示波器相比，磷化铟示波器的改进是非常显着的，在该例中，锗硅示波器的本底噪声比价大，-26.6dBm，以至于完全淹没了该PCI-E Gen III 8Gbps信号的5次谐波，而磷化铟示波器，本底噪声小很多，-36dBm，三次谐波和5次谐波都清晰可见。

图3 用频谱仪测量PCI-E Gen III 8Gbps的1010序列信号，即4GHz时钟信号，可以清楚见到3次谐波（12GHz）和5次谐波（20GHz），图中锗硅示波器在100mv/div设置下的噪声底在-26.6dBm的位置，不仅淹没了2次谐波、4次谐波、5次谐波，也几乎淹没了3次谐波，而磷化铟示波器的噪声底在-36dBm 位置处，可清楚看到5次谐波

这里面引起一个思考，也是过往工程师很少考虑的，伴随着被测信号频率提升和示波器带宽的提高，有一个两难问题出现，一方面被测信号频率提升，其谐波频率自然跟着提升，因此需要更高带宽的示波器来量测，另一方面，高次谐波的能量往往比较低，示波器在保证带宽足够覆盖高次谐波的情况下，还要保证其低噪声不要将低能量的高次谐波淹没掉了。在以往，或测量低速信号时，人们只需考虑带宽而无需考虑示波器低噪声的。

除了本底噪声以外，工程师也常用有效比特来衡量示波器垂直系统，它反映的是电压波形幅值总体测量精度，将示波器本底噪声、谐波失真等因素综合考虑进去的一个指标，详情可另文撰写。图4显示出磷化铟示波器的有效位数（ENOB）远优异于锗硅示波器，最上面的曲线代表磷化铟示波器，在大部分情况下是6 比特左右，最坏的情况是5.5比特，而锗硅20GHz示波器最好的情况是5比特，最差情况不到3比特。

　图4 磷化铟示波器的有效位数（ENOB）远远优异于锗硅示波器

均衡处理

因为电路板材料在高频时呈现高损耗，目前的高速串行总线速度不断演进，使得流行的电路板材料达到极限，信号速度高到一定程度后，信号到达接收机端之后，已经有