如何选择合适的示波器带宽测量串行数据信号

1.高速串行数据考虑测量带宽

在测量高速串行数据信号和设备时，无论是出于合规性、设计还是故障排除目的，测量带宽都是一个重要的问题。测量示波器可以具有相对于信号的频率内容的大或小的带宽。什么是特定标准的正确带宽？这种关系与最近的标准有何变化？

在这里，我们将回顾规定测量带宽的基本原理，以及该基本原理如何随着最新标准而发展。

高速串行数据信号的基本频谱特性 (图1) 显示了信号奇次谐波能量的特征波瓣。基波 (1次谐波) 在f的1/2处波特,其中f波特 是数值等于信号符号率的频率，例如，对于53 gbd的信号，f波特 是53 ghz; 奈奎斯特频率，f奈奎斯特,是53 GHz的1/2。

被测器件或DUT (蓝色) 的信号明显快速滚转，并且没有可见的二次谐波以外的可用能量。这是在GBd的10s处发出信号的理想特征: 高速能量远远超过f奈奎斯特 对信息的传输不重要: 电通道无论如何都会抑制它; 此外，它可能会导致额外的不期望的串扰。最后，在高度抑制的能量的恢复的尝试将过于嘈杂，并且将产生比在必要的最小值之后很快滚转的接收器设计更高的错误率，即，奈奎斯特频率。

相反，高速实验室信号源 (绿色) 可能具有更高的能量波瓣。然而，这也是学术-这个源是过度设计的，它会产生太多的过去典型的DUT发射器 (Tx)，它的能量甚至不会传播到DUT中，除非使用极高速的连接器和电缆。

图1.调幅信号的基本频谱特性; 还显示了bessel-thomson 4的响应th带宽与f匹配的阶数滤波器 (红色)奈奎斯特  即，0.5 * f波特用于PAM4参考过滤器。

如上所述，BERT信号 (图1中的绿色迹线示例) 在其超过奈奎斯特频率许多倍的高频能量的丰富性方面是极端的。但是既然能量存在，我们需要测量它吗？

随着时间的推移，各种标准都在努力解决这个问题，并建立了推荐正确带宽的规则。作为示例，我们将使用基于ieee802.3有线/光纤的信令来对此进行讨论。

高速电气IEEE 802.3标准中所需测量带宽的发展如图2和图3所示; 请注意时间范围 (以年为单位) 是近似的。

图2.随时间变化的电气标准测量带宽 (近似时间表)

图3.随时间变化的光学标准测量带宽 (近似时间表)

比较清楚地表明，测量带宽随着时间的推移而减小: 为什么？

电信号 (从Tx到接收器或Rx) 与过去的NRZ (PAM2 NRZ) 信号相比，今天的带宽受到媒体的限制，即信号传播的有损信道。请注意，在PAM4信号传导中，眼图的大小现在仅为整个振幅摆动的约1/3。

同样有趣的是，在光信号中，测量带宽相对于电介质已经慢了很多年。让我们看看为什么。

2.为什么测量带宽会随着时间的推移而减少

在较旧的、较简单的系统中，来自发射机的信号不会在信道中遭受大的损耗。接收器可以直接或仅通过光均衡来恢复合理打开的眼睛。参见图4。

图4.简单的电气链路; 请注意，远端眼仍然大部分打开

相比之下，复杂系统在f/f上的信道损耗更高波特 正在恢复超过奈奎斯特频率的非常小的信号; 必须付出很大的努力，并且在没有大量RF增益的情况下，眼睛通常不会睁开。但是，较大的RF增益会以噪声放大的形式带来麻烦，并且噪声会导致传输错误。

图5.复杂的电气链路; 注意远端眼仍完全关闭 (3rd从右侧)

由于更复杂的传输系统 (图5) 必须执行复杂的均衡，即具有更多增益的均衡，因此该系统还必须滤除在高频处发现的大部分噪声，即，高于奈奎斯特的频率。当传输信道是高度损耗的时，这种快速带宽限制改善了噪声性能。

3.DUT接收机带宽与测量带宽的关系

测量带宽的指导思想是，测量应仅观察比DUT接收器稍大的光谱窗口。

在过去使用的更简单的系统中，这通常是由5次谐波规则暗示的。在当今更复杂的系统中，其中 (如上所示) 信道表现出较大的损耗 (作为f/f的一部分波特)，DUT Rx必须通过更急剧地滚降来严格限制高频噪声。这将在测量系统中通过将测量带宽降低到例如3次谐波范围来近似。

3.1.四阶bessel-thomson系统的作用

另一个考虑是，由于最新的 (例如PAM4) 系统在高度噪声限制的数据恢复下运行，测量设备的滚降不会在信号的时域视图中呈现伪影是必要的。因此，内置在示波器中的低通滤波器必须在时域中没有振铃或大的过冲。由于这个原因，4阶bessel-thomson滤波器被标准强制要求。这是针对平滑相位响应和平滑电压过渡而优化的滤波器设计。 除了指定滤波器外，该标准还要求该滤波器必须经过-3 dB点，即如果指定了40 GHz bessel-thomson 4阶滤波器，这并不意味着可以使用40 GHz DUT示波器; 实际上，即使是50 GHz示波器也不会对该标准提出投诉，因为有益的bessel-thomson滚降将被过早截断。

请参见图1，红色迹线，用于匹配信号信令速率的bessel-thomson 4阶滤波器 (f时为-3dB奈奎斯特,如典型的PAM4标准。观察在信号滚降与红线bessel-thomson 4滤波器相结合的效果之后剩余的能量是多少。

这对今天的标准意味着什么？

4.2021年/2022年最快的标准

电气标准。期望是IEEE 802。3ck正在完成最快的实用电气标准之一，每通道的数据吞吐量为100 gb/s，2021年将采用400GBASE-CR4或400GBASE-KR4或400GAUI-4等变体，最终批准可能在2022年中期。这些标准的信令符号率是53.125 GBd，因此信号的奈奎斯特频率是25.5625 GHz。

预计该标准将强制要求40 GHz带宽的示波器测量带宽 (即，-3 dB) 4阶bessel-thomson滤波器，受控滚降结束于55 GHz左右。这样的采集将足够快以捕获大部分信号及其潜在的保真度问题，同时不损害具有超出在DUT接收器中实现的带宽的过量带宽的测量信号的SNR。

OIF-CEI标准使用相同的概念，但使用略有不同的过滤器。我们将在以后的文章中讨论这个问题。

光学标准。作为400GBASE-DR4标准背后的ieee802.3bs努力的一部分，使用PAM4信令 (又名光学直接检测pam4nrz) 的光信号测量已经建立了几年。在光学信令中，对接收器带宽的考虑不同于存在于例如ieee802.3ck中的电信号的考虑。在53 gbd处，单模光纤中的光信号经历相对小的带宽滚降 (相对于电信道)，并且由于这个原因，均衡过程更简单，并且反射对短链路的影响较小，因此光接收器不会受到这种反射的严重影响。由于这些链路特性，光学标准规定的测量带宽仅为0.5 * f波特,即在奈奎斯特频率下，如在接收器的电气侧测量的。

事实证明，这是一个bessel-thomson滤波器，其带宽为26.5625 GHz，用于53 gbd信号; 在典型的单模系统中，受控滚降的终点刚刚超过60 GHz。

为什么在光学标准中，在带宽电气和带宽光学方面存在差异？光接收器中的光电转换使光和电侧之间的功率关系平方; 因此，光带宽不同于 (高于) 电带宽。(带宽是全功率的一小部分; 典型O/E的平方律会改变该比率。)光学带宽不用于指定bessel-thomson滤波器与奈奎斯特频率之间的关系。

在一些情况下，光链路在电子设备中 “不惜任何代价” 地强调容量 (例如，非常昂贵的链路，诸如大陆之间的海底链路)。整个设计-包括信号滚降-然后由对频谱效率的关注以及发射机能量和测量工具应用的更急剧的滚降主导。

结论

用于高速串行数据系统中的测量的带宽 (作为符号率的一部分) 对于较高的速度标准比过去的较少均衡的标准要低。这一发展简单地证实了链接设计者今天必须做出的设计权衡。测量是在大约0.5 * f的带宽下进行的波特,以大多数标准中的4阶bessel-thomson滤波器的时域友好方式滚动。未来可能会出现更快的滚降。