基于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀與傳統(tǒng)采樣示波器TDR 之間的測(cè)量性能和優(yōu)勢(shì)比較
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序言
最近幾年隨著多Gbps傳輸?shù)钠占?，?shù)字通信標(biāo)準(zhǔn)的比特率也在迅速提升。例如， USB 3.0的比特率達(dá)到 5 Gbps。比特率的提高使得在傳統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)中不曾見(jiàn)過(guò)的問(wèn)題顯現(xiàn)了出來(lái)。諸如反射和損耗的問(wèn)題會(huì)造成數(shù)字信號(hào)失真，導(dǎo)致出現(xiàn)誤碼。另外由于保證器件正確工作的可接受時(shí)間裕量不斷減少，信號(hào)路徑上的時(shí)序偏差問(wèn)題變得非常重要。雜散電容所產(chǎn)生的輻射電磁波和耦合會(huì)導(dǎo)致串?dāng)_，使器件工作出現(xiàn)錯(cuò)誤。隨著電路越來(lái)越小、越來(lái)越緊密，這一問(wèn)題也就越來(lái)越明顯。更糟糕的是，電源電壓的降低將會(huì)導(dǎo)致信噪比降低，使器件的工作更容易受到噪聲的影響。盡管這些問(wèn)題增加了數(shù)字電路設(shè)計(jì)的難度，但是設(shè)計(jì)人員在縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間上受到的壓力絲毫沒(méi)有減輕。
隨著比特率的提高，盡管無(wú)法避免上述問(wèn)題，但是使用高精度的測(cè)量?jī)x器可以對(duì)此類(lèi)問(wèn)題進(jìn)行檢測(cè)和表征。以下是使用儀器處理這些問(wèn)題時(shí)必須要遵守的測(cè)量要求:
a.在更寬的頻率范圍都要有很大的測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍
實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)范圍的一種方法是降低噪聲。如果儀器噪聲達(dá)到最低水平，就可以把很小的信號(hào)(例如串?dāng)_信號(hào))測(cè)量出來(lái)。精確地測(cè)量高頻元器件也很關(guān)鍵，因?yàn)樗鼈兪菍?dǎo)致信號(hào)完整性問(wèn)題的最常見(jiàn)原因。
b.激勵(lì)信號(hào)要能精確地同步起來(lái)
在測(cè)量多條微帶線(xiàn)之間信號(hào)的時(shí)序偏差時(shí)，精確同步的激勵(lì)信號(hào)更能保證精確的測(cè)量結(jié)果。
c.快速進(jìn)行測(cè)量并刷新儀表屏幕上顯示的測(cè)量結(jié)果
能夠快速進(jìn)行測(cè)量并刷新所顯示的測(cè)量結(jié)果可以使產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率更高并提高生產(chǎn)吞吐量。
傳統(tǒng)上，基于采樣示波器的時(shí)域反射計(jì) (TDR)一直用于電纜和印刷電路板的測(cè)試。由于這種示波器的噪聲相對(duì)較大，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)范圍和快速測(cè)量具有一定難度，雖然通過(guò)取平均法可以降低噪聲，但是這會(huì)影響測(cè)量速度。示波器上用于測(cè)量時(shí)序偏差的多個(gè)信號(hào)源之間的抖動(dòng)，也會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差。此外，給 TDR示波器設(shè)計(jì)靜電放電(ESD)保護(hù)電路非常困難，因此 TDR示波器容易被 ESD損壞。
這些問(wèn)題只憑 TDR示波器基本上很難解決，只有通過(guò) E5071C-TDR —基于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)的 TDR解決方案才能解決。
使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行時(shí)域反射計(jì)測(cè)量
VNA進(jìn)行哪些測(cè)量?
VNA是測(cè)量被測(cè)件 (DUT)頻率響應(yīng)的儀器，測(cè)量的時(shí)候給被測(cè)器件輸入一個(gè)正弦波激勵(lì)信號(hào)，然后通過(guò)計(jì)算輸入信號(hào)與傳輸信號(hào) (S21)或反射信號(hào) (S11)之間的矢量幅度比 (圖 2)得到測(cè)量結(jié)果; 在測(cè)量的頻率范圍內(nèi)對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行掃描就可以獲得被測(cè)器件的頻率響應(yīng)特性(圖3); 在測(cè)量接收機(jī)中使用帶通濾波器可以把噪聲和不需要的信號(hào)從測(cè)量結(jié)果中去掉，提高測(cè)量精度。
圖 2. 輸入信號(hào)、反射信號(hào)和傳輸信號(hào)示意圖。
圖 3. 在測(cè)量頻率范圍內(nèi)掃描正弦波激勵(lì)信號(hào)，就可用 VNA測(cè)得被測(cè)器件的頻率響應(yīng)特性。
從頻域變換到時(shí)域 (傅立葉逆變換)
眾所周知，頻域和時(shí)域之間的關(guān)系可以通過(guò)傅立葉理論來(lái)描述。通過(guò)對(duì)使用VNA獲得的反射和傳輸頻率響應(yīng)特性進(jìn)行傅立葉逆變換，可以獲得時(shí)域上的沖激響應(yīng)特性 (圖4)。再通過(guò)對(duì)沖激響應(yīng)特性進(jìn)行積分，可得到階躍響應(yīng)特性。這和在TDR示波器上觀(guān)察到的響應(yīng)特性是一樣的。由于積分計(jì)算非常耗時(shí)，因此實(shí)際上使用的方法是在頻域中根據(jù)傅立葉變換的卷積原理進(jìn)行計(jì)算 —把輸入信號(hào)的傅立葉變換和被測(cè)件的頻率響應(yīng)特性進(jìn)行卷積，然后再對(duì)結(jié)果實(shí)施傅立葉逆變換。由于在時(shí)域中的積分也可使用頻域中的卷積來(lái)描述，因此我們可以快速計(jì)算出階躍響應(yīng)特性。
圖 4. 從傅立葉逆變換中推導(dǎo)出的階躍響應(yīng)特性與沖激響應(yīng)特性之間的關(guān)系。
通過(guò)傅立葉逆變換得到的時(shí)域特性的時(shí)間分辨率和時(shí)間測(cè)量范圍分別對(duì)應(yīng)于最高測(cè)量頻率的倒數(shù)和頻率掃描間隔的倒數(shù)(圖 5)。例如，若最高測(cè)量頻率是 10GHz，則時(shí)間分辨率為 100ps。我們似乎可以認(rèn)為通過(guò)不斷縮小頻率掃描的間隔就可以無(wú)限地?cái)U(kuò)大測(cè)量的時(shí)間范圍，但事實(shí)上卻存在限制。因?yàn)楦盗⑷~逆變換中使用的頻率數(shù)據(jù)在頻域中必須是等距的，若掃描的頻率間隔比VNA的最低測(cè)量頻率還要小，那么就不能執(zhí)行傅立葉逆變換。例如，如果 VNA的最低測(cè)量頻率是100kHz，則在時(shí)域測(cè)量中能夠得到的最大時(shí)間測(cè)量范圍就是10 µs，對(duì)于 TDR的測(cè)量應(yīng)用，這足夠了。
圖 5. 時(shí)域參數(shù) (時(shí)間分辨率和時(shí)間測(cè)量范圍)與頻域參數(shù) (最大頻率和掃描頻率間隔)之間的關(guān)系。
圖 6顯示的是使用基于 VNA的 TDR (Agilent E5071C-TDR)和示波器 TDR (Agilent DCA 86100C TDR)，對(duì)同一被測(cè)件 (用Hosiden的測(cè)試夾具和電纜)的阻抗進(jìn)行測(cè)量，得到的響應(yīng)曲線(xiàn)之間的相關(guān)性。兩個(gè)測(cè)量結(jié)果之間的差別不到0.4 Ω。
圖 6. E5071C-TDR和 86100C TDR示波器(86100C)的測(cè)量結(jié)果之間的相關(guān)性(示波器 TDR的測(cè)量結(jié)果是經(jīng)過(guò) 16次平均以后得到的)。
VNA與 TDR示波器動(dòng)態(tài)范圍的比較
此前的文檔 1已介紹了 VNA和 TDR示波器的限制和精度。本節(jié)將從理論的角度，對(duì) VNA和 TDR示波器的動(dòng)態(tài)范圍進(jìn)行比較。VNA和 TDR示波器由于體系結(jié)構(gòu)不同，所以在動(dòng)態(tài)范圍上也有差異。
以下假設(shè)將簡(jiǎn)化對(duì)比過(guò)程:
●兩個(gè)系統(tǒng)的噪聲和帶寬(fc)相等
●從直流至 fc頻率范圍內(nèi)，噪聲都是一致的(白噪聲)，觀(guān)察到的功率為 b2
● TDR示波器的階躍輸入和 VNA示波器正弦波輸入的最大信號(hào)功率(a2)相等
●信號(hào)源和接收機(jī)之間的傳輸通道不產(chǎn)生損耗
●使用歸一化阻抗以簡(jiǎn)化數(shù)字的表達(dá)
首先對(duì)比的是對(duì)同一測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍。TDR示波器的時(shí)域響應(yīng)由階躍激勵(lì)和噪聲組成，各分量的功率分別定義為 a2和 b2，動(dòng)態(tài)范圍是這些分量的比值。對(duì) VNA來(lái)說(shuō)，帶通濾波器可以無(wú)損傳送信號(hào)，因此信號(hào)功率為 a2; 噪聲分量在帶通濾波器的阻帶中被衰減 —如果帶通濾波器的帶寬為 fIF，則濾波器輸出端口的噪聲衰減為 fIF/fC。鑒于噪聲的降幅與動(dòng)態(tài)范圍成正比，所以 VNA TDR的測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍可以擴(kuò)大10 log(fC/fIF)dB。由于此關(guān)系式與激勵(lì)頻率無(wú)關(guān)，與 TDR示波器相比，從VNA的測(cè)量結(jié)果經(jīng)過(guò)傅立葉逆變換獲得的時(shí)域響應(yīng)的動(dòng)態(tài)范圍也將擴(kuò)大 10log (fC/fIF)dB。
圖 7. VNA降低噪聲的原理
接下來(lái)對(duì)比的是在相同的時(shí)間測(cè)量范圍 (T)和時(shí)間分辨率條件下得到時(shí)域響應(yīng)特性所需要的測(cè)量時(shí)間。
使用 TDR示波器測(cè)量時(shí)，為了在物理采樣頻率 fP下獲得等效采樣時(shí)間 fE，測(cè)量需要多花 fE/fP倍的時(shí)間來(lái)完成(如圖 7所示)。當(dāng)測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)度為 T時(shí)，則需要測(cè)量 T x fE個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn) (M)，測(cè)量時(shí)間為 T x fP/fS。使用 VNA進(jìn)行測(cè)量，如要獲得相同的時(shí)域響應(yīng)特性的話(huà)(如圖 9所示)，則需要以 1/T作為頻率掃描的步長(zhǎng)，并測(cè)量 M*2個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。單個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的測(cè)量時(shí)間主要由帶通濾波器決定，等于 1/fIF。因此總測(cè)量時(shí)間為 M x 1/fIF，等于(Tx fE)x 1/fIF。
對(duì)比結(jié)果可知，在 VNA進(jìn)行一次測(cè)量掃描的時(shí)間內(nèi)，TDR示波器可以測(cè)量 fP/fIF次。由于將信號(hào)波形平均 L次會(huì)使得噪聲與
圖 8. 采樣示波器恢復(fù)的波形與測(cè)量時(shí)間的關(guān)系。
圖 9. 用 VNA測(cè)量時(shí)，恢復(fù)的波形與測(cè)量時(shí)間的關(guān)系。
要想對(duì)比真實(shí)的動(dòng)態(tài)范圍，就必須要在測(cè)量時(shí)間相同的條件下進(jìn)行對(duì)比。因此，必須將VNA通過(guò)使用帶通濾波器所帶來(lái)的在動(dòng)態(tài)范圍上的改善和TDR示波器通過(guò)多次平均所達(dá)到的在動(dòng)態(tài)范圍上的改善這些因素都考慮在內(nèi)。
通常，TDR示波器的物理采樣頻率 (fP)遠(yuǎn)低于 TDR示波器的截止頻率 (fC)， VNA的動(dòng)態(tài)范圍要高出 TDR示波器動(dòng)態(tài)范圍的 10 log(fC/fP)倍(表 1)。要通過(guò)取平均法在TDR示波器上獲得與VNA示波器相同的動(dòng)態(tài)范圍，TDR的測(cè)量時(shí)間將延長(zhǎng) fC/fP倍。
以上內(nèi)容主要討論了時(shí)域響應(yīng)的動(dòng)態(tài)范圍。頻域測(cè)量對(duì)當(dāng)今高速數(shù)字通信系統(tǒng)的重要性日益凸顯。例如，要測(cè)量串?dāng)_效應(yīng)，則精確測(cè)量高頻響應(yīng)至關(guān)重要，因此必須使用在高頻時(shí)具有寬動(dòng)態(tài)范圍的儀器進(jìn)行測(cè)量。下面我們將重點(diǎn)對(duì)比VNA與TDR示波器的頻域動(dòng)態(tài)范圍。我們?cè)诒竟?jié)會(huì)對(duì)一些要點(diǎn)和結(jié)果進(jìn)行討論，與此有關(guān)的詳細(xì)分析請(qǐng)參見(jiàn)附錄。
因?yàn)槲覀兗僭O(shè)激勵(lì)信號(hào)功率在整個(gè)頻率范圍內(nèi)是保持恒定的，因此在VNA的整個(gè)測(cè)量頻率范圍內(nèi)可以得到相同的動(dòng)態(tài)范圍。TDR示波器的階躍激勵(lì)經(jīng)傅立葉變換后變?yōu)?δ (f)/2 + 1/(2∏jf)，其中包括了一個(gè)與頻率的提高成反比的較大的 DC分量。圖 10比較了 VNA與 TDR示波器在相同頻率范圍和分辨率條件下的動(dòng)態(tài)范圍。對(duì)于 N個(gè)點(diǎn)的測(cè)量，動(dòng)態(tài)范圍 10log (fC/fP)dB在
圖 10. VNA和 TDR示波器的頻域動(dòng)態(tài)范圍比較
信號(hào)同步比較
為了測(cè)試在多個(gè)傳輸通道之間的信號(hào)的時(shí)序偏差，需要在各個(gè)通道的測(cè)量結(jié)果之間進(jìn)行時(shí)間同步。VNA和TDR示波器對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行同步的方法并不相同。本章節(jié)將討論不同方法對(duì)測(cè)量精度的影響。圖 11對(duì)比了 VNA和 TDR示波器測(cè)量多端口器件時(shí)使用的激勵(lì)信號(hào)。TDR示波器為每個(gè)端口提供激勵(lì)源，并獨(dú)立生成階躍激勵(lì)。因此，必須要激勵(lì)信號(hào)同步起來(lái)才可以測(cè)量不同通道間信號(hào)的時(shí)序偏差。如果激勵(lì)信號(hào)在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)實(shí)現(xiàn)同步，該激勵(lì)的任意時(shí)間波動(dòng)將導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果中出現(xiàn)抖動(dòng)。
圖 11. 測(cè)量多端口器件時(shí)，TDR示波器(左)和 VNA(右)的激勵(lì)設(shè)置方塊圖。
圖 12. TDR示波器 (左)上的多個(gè)激勵(lì)源的時(shí)間同步。調(diào)整 VNA的相位時(shí)延，以實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步 (右)。
使用VNA可以在頻域中進(jìn)行測(cè)量，并通過(guò)傅立葉逆變換計(jì)算出時(shí)域響應(yīng)。頻域中的相位時(shí)延對(duì)應(yīng)的就是時(shí)域中的時(shí)間時(shí)延。VNA提供多種校準(zhǔn)方法來(lái)補(bǔ)償相位時(shí)延。此外，由于 VNA測(cè)量的是輸入信號(hào)與輸出信號(hào)的矢量比，因此 VNA測(cè)量結(jié)果不受激勵(lì)波動(dòng)的影響 —輸入信號(hào)的任何波動(dòng)都被比率的計(jì)算給抵消掉了。因此， VNA測(cè)得的時(shí)域響應(yīng)不包含因激勵(lì)信號(hào)波動(dòng)產(chǎn)生的誤差，測(cè)量結(jié)果與使用無(wú)波動(dòng)的完美激勵(lì)所獲得的結(jié)果相同。
儀表的結(jié)實(shí)和耐用性的比較
由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)的原因，TDR示波器很難在內(nèi)部增加靜電放電(ESD)保護(hù)電路，因此容易受靜電放電影響而損壞。圖 11為 TDR示波器的方框圖。為了最大程度地降低測(cè)試端口輸入信號(hào)的損耗，采樣器直接連接到測(cè)試端口上。階躍信號(hào)發(fā)生器則采用了隧道二極管。隧道二極管是一種低阻抗器件，適合于與負(fù)載連接的配置。如果在圖 11中 A點(diǎn)位置插入保護(hù)電路，保護(hù)電路的雜散電容和A點(diǎn)的阻抗將形成一個(gè)低通濾波器，這會(huì)使階躍激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生失真，導(dǎo)致測(cè)量出現(xiàn)誤差。
圖 13. TDR示波器脈沖發(fā)生器與采樣器的連接方框圖。
在VNA中很容易使用ESD保護(hù)電路。正弦波激勵(lì)信號(hào)在測(cè)量時(shí)會(huì)掃過(guò)VNA的整個(gè)測(cè)量頻率范圍，測(cè)量結(jié)果從輸入與輸出信號(hào)的矢量比中得到。因此，即使保護(hù)電路會(huì)導(dǎo)致部分損耗，使用矢量比也可以消除這些損耗，從而確保測(cè)量精度不受影響。
全新的 Agilent E5071C選件 TDR
秉承 VNA體系結(jié)構(gòu)的全部技術(shù)優(yōu)勢(shì)，Agilent E5071C選件 TDR能夠以最高精度快速完成實(shí)時(shí) TDR測(cè)量。它具有高達(dá) 3000 V(典型值)的 ESD容限電壓和絲毫無(wú)損的射頻測(cè)量性能，因此可以確保產(chǎn)品更加可靠，降低維護(hù)費(fèi)用。
對(duì)于許多數(shù)字用戶(hù)來(lái)說(shuō)，VNA的用戶(hù)界面操作起來(lái)一直很不方便。E5071C選件TDR的用戶(hù)界面經(jīng)過(guò)重新設(shè)計(jì)，使現(xiàn)在的數(shù)字工程師可以輕松、直觀(guān)地進(jìn)行操作，使用戶(hù)可以同時(shí)進(jìn)行時(shí)域和頻域測(cè)量以及靈活地選擇參數(shù)。它能夠生成仿真眼圖，不需要使用額外的碼型發(fā)生器，因此可以降低擁有成本。此外，它能夠獨(dú)立地提供用于高速互連分析的基本功能。
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