述評SPARQ系列網(wǎng)絡分析儀之八：SPARQ 動態(tài)范圍

本文將討論信號完整性網(wǎng)絡分析儀SPARQ動態(tài)范圍以及考慮一些關鍵指標的影響，并和競爭對手的兩種時域測試設備在動態(tài)范圍和關鍵指標進行了深入比較，提供了推導過程并通過實驗結果來驗證計算的準確性。

動態(tài)范圍

任何基于TDR測試設備的動態(tài)范圍都可以通過下面這個公式計算：

此處：
•f：頻率(GHz)
•T：用來平均的整體時間
公式中的一些參數(shù)在SPARQ中的對應數(shù)據(jù)如下表：

SPARQ的1次采樣是250次/S硬件平均后的結果，包含3種模式：預覽模式（1次采樣平均）、正常模式（10次采樣平均）、增強模式（100次采樣平均）。

Note[2]：在公式2中，線纜損耗被當作外部線纜被忽略，這是由于線纜標準一般是用戶自定義，所以動態(tài)范圍以設備端口的典型值來定義。

影響動態(tài)范圍的因素

在動態(tài)范圍公式[1] 中，有幾個影響較大的因素需要討論。第一當然是公認的一些因素。相對于頻率，動態(tài)范圍會以20dB/每10階（或6dB/每8階）的程度下降，器件頻率變 化時需要注意動態(tài)范圍下降的影響。如果整個波形被看做一個脈沖，則這個影響可以被忽略。它的影響可以被描述實際階躍響應的表達式P(f)抵消。

我們普遍的共識是，動態(tài)范圍強烈依賴于步進大小。每次步進幅度的倍增會讓動態(tài)范圍以6dB的大小上升，盡管高頻成份在P(f)被描述（但是并不涉及脈沖發(fā)生器和采樣器反應的不同之處）。

動態(tài)范圍與隨機噪聲、線纜和夾具的損耗成正比關系，但是可以通過高采樣率來補償。實際采樣率(或者說一次采樣等待時間減小)的倍增會使動態(tài)范圍以3dB的幅度上升（采樣率10倍增使動態(tài)范圍以10dB的幅度增加）。

在公式中，分母部分的表明，捕獲時間的長度會對動態(tài)范圍有比較大的影響。因為平方的原因使其對動態(tài)范圍的影響是2 倍的關系。一個影響是噪聲會被引入采樣中。對于實際信號而言，測試捕獲的波形只是其中一部分，而噪聲則會影響到整個捕獲過程。隨著捕獲時間的增加，信號中 噪聲的量級并不會增加。Frac說明了去噪算法，提供了對采集區(qū)域限制也包含了信號對這種影響的抵消。第二個影響因素是均值。更長的捕獲需要更長時間的采 樣?，F(xiàn)在一些更復雜的考慮則并非公認的。首先是噪聲頻帶限制的影響（fbw）。很多情況下，在等時間采樣范圍內(nèi)的噪聲是白噪聲。如果主要的噪聲來源于 ADC的量化影響，則以上表述就尤其正確。這就意味著全部噪聲能量是符合乃奎斯特定律。這種情況下,fbw=且 忽略這些項目。這種狀況下，動態(tài)范圍完全依賴于等時采樣率。這樣似乎與正常的想法不一樣，一般來說增加采樣率會導致更多的噪聲以至于超出了感興趣的頻譜范 圍，但是這個影響是完全可以通過捕獲時間增加來消除，因此采樣數(shù)量的增加是能夠被平均的。當走線噪聲是在規(guī)范定義的帶寬限制內(nèi)時（這也是大多數(shù)的情況）， 動態(tài)范圍事實上可以通過來計算，當然看起來似乎是不合規(guī)律的，但你需要考慮到這個頻率限制是符合乃奎斯特定律的，同時捕獲不必要過采樣（當然這是理論上的，而不是實際上的運算考慮）。為了取得在限制帶寬和非限制對噪聲的影響，必須要使用這種調整來比較。

SPARQ動態(tài)范圍技術

SPARQ設計中有幾個關鍵的影響動態(tài)范圍的方面做了折衷考慮。讓SPARQ能夠同時滿足低成本和易用性，通過使用一個脈沖發(fā)生器和2個采樣器實現(xiàn)低成本 和易用性，原因是TDR發(fā)生器是主要的成本來源。而使用最小工作配置的脈沖發(fā)生器/采樣器也能夠與易用性相吻合。因為單一脈沖發(fā)生器和采樣器必須要能夠在 測試時與每一個SPARQ的端口相連接，這就需要一個高頻率的開關裝置，這個開關設備能夠將測試設備校準到內(nèi)部的標準參考面而不需要多次的連接和斷開的動 作。這個內(nèi)部校準能力可以實現(xiàn)更簡單方便的操作。這個能力也是SPARQ動態(tài)范圍較大的一個標簽，因為開關系統(tǒng)增加了整個系統(tǒng)的損耗，更重要的是它增加了 長度。

正如我們在動態(tài)范圍公式中看到的，設備中內(nèi)部脈沖發(fā)生器/采樣器和設備前面板端口之間路徑的損耗使動態(tài)范圍減小了2次，因為信號必須要從脈沖發(fā)生器產(chǎn)生然 后到端口，中間經(jīng)過DUT，最后經(jīng)過端口返回采樣器。事實上，這個過程使SPARQ的動態(tài)范圍下降了7dB。長度是一個更大的因素，因為最終的捕獲長度包 含了至少4次的系統(tǒng)增加的額外長度。這將使SPARQ的動態(tài)范圍下降13dB。所以，總共使動態(tài)范圍下降了20dB左右。

如果設計僅僅到此，那么SPARQ就只是一個廉價的對實際測試沒有更大幫助的設備，但事實上SPARQ包含的很多技術指標不僅能有效糾正20dB動態(tài)范圍的減小，同時也能夠提供比其他基于TDR方案的設備更高的動態(tài)范圍。

第一個特點是脈沖發(fā)生器/采樣器的響應。大部分的TDR系統(tǒng)使用高幅值（250mV）但頻率成分比較少的脈沖。SPARQ使用相似幅度的脈沖，但其脈沖響 應卻能使40GHz時的動態(tài)范圍上升12dB。事實上，這個脈沖發(fā)生器/采樣器的影響直到65GHz時才為0dB. 這個脈沖發(fā)生器/采樣器是非常高頻的。其他的都不能提供類似的脈沖，因為SPARQ的脈沖看起來并不是非常漂亮—它有80%-100%的過沖—在傳統(tǒng)的以 視覺檢驗脈沖響應的TDR應用中顯的沒有什么吸引力。SPARQ的主要任務是提供S參數(shù)和校準時域響應，這些也是動態(tài)范圍和精確度的需要—超越視覺吸引力 的真實脈沖。總之，通過非平坦脈沖能夠使動態(tài)范圍提升12dB。

第二個特點是被力科專利保護的連續(xù)間隔采樣（CIS）。傳統(tǒng)的TDR系統(tǒng)是基于順序采樣，這種采樣方式速度慢且來自時基非線性影響也是不能忍受的。一些順 序采樣也可能帶來更多的錯誤。時基非線性不會對動態(tài)范圍產(chǎn)生負面影響，但可能對精確度產(chǎn)生負面影響。力科的CIS能夠提供采樣時鐘，這個時鐘在使用 10MS/s采樣5MHz的重復TDR脈沖時產(chǎn)生輕微的偏移。這就允許更高的采樣率而不會有時基非線性的問題。CIS不僅有更好的精確度，它也使建立和操 作硬件的快速平均更加簡單。相對于其他順序采樣系統(tǒng)而言，采樣系統(tǒng)的速度提升能夠帶來12dB-18dB的動態(tài)范圍提升。不幸的是，當采樣器的采樣率提升 時會帶來更大的噪聲，所以考慮到高采樣率下噪聲的增加，整體系統(tǒng)的動態(tài)范圍只能提升6dB. 最后說明的是，由于這個好處很大程度上依賴快速平均，所以設備本身的設計非常重要，要確保平均過程能夠真正提升動態(tài)范圍。測試內(nèi)容見附錄C effect of Averaging

最后一個特點是采用Wavelet denoising的數(shù)字信號處理技術來消除噪聲。這類技術通常用于雷達、圖形處理、心電圖系統(tǒng)。這類技術的影響很難被量化，但最簡單的觀察它的影響的方 法是：這種去噪算法消除了在沒有反射時捕獲持續(xù)更長時間時產(chǎn)生的噪聲。對于一個比較走線較短的設備，這種處理能增加約10dB的動態(tài)范圍，對于走線較長的 設備，動態(tài)范圍的提升更大明顯。當設備端口間有更好的隔離時，wavejet denoising技術可以帶來遠大于10dB的動態(tài)范圍提升。

以上3個技術特點，使SPARQ的動態(tài)范圍可以提升26dB，這使的SPARQ的動態(tài)范圍在消除為實現(xiàn)低成本和易用性而產(chǎn)生的20dB下降后，仍能提升6dB。這是噪聲的一半或者2倍的頻率，無論你想用那種方式。

SPARQ動態(tài)范圍是量化的，下一節(jié)中有其參數(shù)與競爭儀器設備的比較。注意，可以從表中與競爭儀器設備數(shù)據(jù)的對比直接計算出最終的動態(tài)范圍，而且計算結果可以看出無論是精確性還是最終的優(yōu)化都好于競爭儀器設備。

1．使用TEK DSA 8200采樣示波器和80E10 TDR模塊做40GHz測量的標準
2．使用Agilent 86100C采樣示波器+54754A TDR模塊+PSPL 4020 NLTS +86118A 采樣模塊做40GHz測量時的標準
3．階躍幅度250mV、150KS/s的實際采樣率，-50dB噪聲（帶寬限制為40GHz），在40GHz時0dB響應，沒有模塊在端口的損耗，50ns的捕獲長度，40GHz頻率，10秒的捕獲平均，200GS/s等時間采樣率，結果會上升到25
4．注意因為所有的噪聲標準都是40GHz帶寬下的，所以采用80GS/s的采樣率。動態(tài)范圍方程顯示了SNR增加與采樣率的關系而不是受帶寬限制后噪聲的影響。對于帶寬限制下的噪聲，設置采樣率實際上是2次帶寬限制。
5．使用45ns作為捕獲長度，盡管標準是50ns，一半被用作邊沿位置。
6．盡管CIS是非?？斓模挥?5%的采樣被使用，因為CIS需要200ns脈沖重復周期。CIS的其他優(yōu)勢是線性時基，但是這個有點在動態(tài)范圍中不能被量化
7．在乃奎斯特定律下，100GHz時會有-46dBm的白噪聲，當帶寬限制到40GHz時，會有4dB的提升---測試驗證的數(shù)據(jù)
8．370uV的典型標準小于有效保證結果的470uV標準
9．標準規(guī)定50GHz帶寬限制時是700uV，所以當帶寬限制為40GHz有1dB的提升10．增益的提升是由SPARQ所發(fā)脈沖的過沖產(chǎn)生，實際的脈沖頻率響應在65GHz為0dB
11．規(guī)格書標明4020產(chǎn)生200mV階躍幅度等于輸入門限幅度
12．線纜和開關的損耗減輕了內(nèi)部校準的負擔
13．SPARQ 3.6ns的電信號長度需要額外的14.4ns的捕獲。校準補償單元需要額外的捕獲長度中的時間平均和噪聲
14．專利等待中，保守估計，10%的波形實際上包含反射
15．這個數(shù)據(jù)可以從tek的規(guī)格書中找到。Tek顯示40GHz時，250次平均得到45dB。這個平均是10秒的平均，（帶長度credit），是210次平均能增加1dB
16．Agilent 顯示了32GHz 64次平均下為20dB。我們比較40次平均，但考慮到電信號模組到端口的長度，我們比較56次平均。同過實際測量（40GHz時），這個數(shù)值會再下降 2dB，實際的動態(tài)范圍為18dB。我們無法解釋這里的31dB與agilent標準所提供的18dB之間所出現(xiàn)的這種偏差。