信号采集与理论简介 要想精确可靠地分析当今高速数字系统的信号数据, 首先需要彻底了解数据采集分析理论 设计人员在了解理论和工具的相关知识后, 可以精确而高效地建立器件特性模型 这些知识能让工程师一次性开发出最佳设计, 实现效率最大化, 并可优化他们的价值主张 为操作示波器采集以找到工程师想要看到并测

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1 是德科技转换示波器采集以去嵌入 嵌入和仿真通道效应 应用指南 S 参数系列

2 信号采集与理论简介 要想精确可靠地分析当今高速数字系统的信号数据, 首先需要彻底了解数据采集分析理论 设计人员在了解理论和工具的相关知识后, 可以精确而高效地建立器件特性模型 这些知识能让工程师一次性开发出最佳设计, 实现效率最大化, 并可优化他们的价值主张 为操作示波器采集以找到工程师想要看到并测量的信号, 我们编写了 6 篇文章, 通过详细的通道元素测量和建模, 为高速数字系统设计人员和验证工程师提供指导, 本文是其中第一篇 如果真实信号 ( 基于各种原因 ) 无法探测或者探测位置与预想位置不同, 或者测量元素自身 ( 如探头 ) 影响测量结果并且需要从报告的测量结果中去除, 那么需要进行额外处理 大约十年前, 电子行业放弃传统的并行总线接口, 开始采用串行拓扑 乍看上去, 这似乎有一点奇怪 因为要获得同样有效的吞吐量, 总线时钟速率至少要乘以 8 的系数, 它还意味着数字设计人员需要成为新模块的专家, 例如锁相环技术 ; 而这在传统上是模拟设计人员的领域 当前的问题是集成电路受到输入输出的限制 ; 这不是内部功能问题, 而是要获得进出器件的信号 此外, 使用 FR-4 制造的低级印刷电路板, 在某种意义上, 已成为昂贵的商品 为保持利润空间, 必须使用低成本材料, 而采用八位并行总线是对路由体积的浪费 弃用这项技术便是要向更高的数据速率以及设计中使用的微波原则迈进 我们现在将这个工程领域称为信号完整性 信号完整性从业者要解决的问题是 : 在将数字数据从数字发射机通过通道传送至接收机时会产生无数问题 在每秒数千兆位 (Gbs) 的速率下, 传输路径中的任何因素都会在一定程度上影响信号 开发人员和设计人员必须了解最重要的因素是什么, 如何建立模型和进行测量 只有在了解这些因素之后, 他们才能使用仿真器或其他测量设备来帮助了解和优化系统性能 工程师从事信号完整性研究的目的与对测量结果的仿真有关 从事高速数字领域的工程师虽不必成为信号完整性专家, 却必须要了解信号完整性问题 例如, 验证和设计工程师需要了解如何解决远程指定信号特征问题, 但却不必担心 FR-4 因湿度导致的损耗因数 他们还希望使用测量或仿真模型来运行某些系统场景, 查看改变一个元素特性或同时改变多个元素所带来的影响 这些元素可能是印刷电路板传输线 电路板上的过孔 连接器 电阻 电感 电容, 甚至是探头自身 有时, 其中一个元素可能就是另一个设计, 其唯一的目的就是在某些点能够测量发射出的信号 它们被称作 夹具, 尽管它们可能具有卓越品质, 但也会对测量产生影响, 有时必须加以考虑 在评测这些系统时, 最终要使用示波器来查看信号 即使信号位置难以访问或在采集时会受到系统元素的影响, 或是由添加的元素驱动, 系统也可进行建模, 并推导出实际信号的精确仿真 是德科技已开发出了一系列的工具, 可以高效用于测量这些元素, 从仿真推导模型, 更精确地过滤测得数据, 并最终精确表征感兴趣的信号 2

3 基于硬件的协同仿真时代来临 无论使用探头还是测试夹具进行测量, 验证任务均会不可避免地变成协同仿真处理 协同仿真, 即仿真与测量相结合, 能够显示出单纯测量无法显示出的问题 它能显示出如果未受外来电路的影响时 在进行物理测量时外来电路不存在, 测量信号将会是什么样子 它还可显示另一面 如果测得的信号未受到物理测量路径中存在的外来电路 ( 寄生现象 ) 的影响, 测得信号将是什么样的 它甚至可显示如果不在实际测量的物理位置, 而是在其他位置, 它将是什么样的 协同仿真的使用历史已有数十年之久, 工程师通过它从示波器提取测得波形并导入 EDA 仿真工具中 虽然它极具影响力, 但同时又非常繁琐和耗时 现代的高性能示波器现在能够直接在示波器上对实时测得波形进行协同仿真 这些协同仿真只是简单地对测得波形进行变压 使用一个可能有增益的线性滤波器来渲染不同视图的测得波形 也就是将示波器的测得波形转换到过滤波形, 渲染出如果测量电路发生更改, 信号仿真将是什么样的 如果被测电路要通过移除元件进行更改, 这一过程通常被称为去嵌入 如果通过添加元件来更改, 则被称为嵌入 在任何情况下, 执行这些测量到仿真信号视图的关键就是创建电压传递函数, 将物理测量结果转换为目标测量结果 这是最终了解测得结果的第一步 并非所有示波器去嵌入应用均是从复杂的电路模型生成相关的传递函数 有些应用只是从 S 参数文件中简单提取的 S21 分量并将其直接用作嵌入应用的传递函数, 或将其倒数作为去嵌入应用的传递函数 3

4 传递函数推导 推导滤波器传递函数需要定义两个电路 第一个电路可以精确反映工作台上的现有测量条件, 包括示波器观测点 ( 示波器的前面板输入连接器或探头 ) 第二个电路反映的是目标测量条件 例如, 假设电源被测件 (DUT) 和示波器之间有一条电缆 目标是去除电缆的效应 ( 去嵌入 ) 在此情况下, 测量电路将表现为在电源和示波器通道输入之间存在一条电缆 发射机设备 测量电路 示波器 V meas V src + - Y Tx Y cable Y scope 发射机设备 仿真电路 示波器 V sim V src + - Y Tx Y scope 图 1. 用于观察无电缆波形的测量和仿真电路模型 如图 1 所示, 除电缆被移除外, 仿真电路与测量电路完全相同 ( 即, 仿真示波器直接与源相连 ) 通过假设这两个电路为线性和非时变电路, 可利用基本节点分析法来执行仿真 电路的分析将生成两个传递函数 ( 在频域 ), 由公共源到每个电路的观测节点 假设 : H m (f) = (V meas (f)) (V src (f)) H s (f) = (V sim (f)) (V src (f)) 这些传递函数的比值会生成预期的校正传递函数 H(f), 此函数可用于将测得波形 变换或转换成仿真波形 H(f) = H s (f) V sim (f)/v src (f) V sim = = (f) H m (f) V meas (f)/v src (f) V meas (f) V meas (f) * H(f) = V meas (f)* V sim (f) V meas (f) = Vsim (f) 它将产生过滤 仿真或预期的结果 4

5 传递函数推导 幅度 (db) 频率 GHz 图 2. 电缆去嵌入示例的传递函数 Hm Hs 和 H 由于示波器本来在时域工作, 它通过脉冲响应卷积 h(t) 将传递函数用于测量波形, V meas (t) 这样就成为频域传递函数傅立叶变换的倒数,H(f), 也就是 : V sim (t) = V meas (t) * h(t) 该示波器使用有限脉冲响应 (FIR) 数字滤波器来执行卷积, 使用数字信号处理 (DSP) 硬件 ( 如 Keysight Infiniium 示波器 ) 或软件来实施 两种方法均是精确而有效的, 硬件实施的明显优势是速度 处理和更新显示更快 图 3 所示的是脉冲响应 h(t), 以及可将其用于测量信号的滤波器 V meas (t) 传递函数滤波器 幅度 ( 比 ) 时间 (ns) 图 3. 有损耗电缆的校正滤波器 ( 蓝色 ) 和去嵌入传递函数的脉冲响应 ( 红色 ) 示例 5

6 传递函数推导 图 4 将校正滤波器的频率响应与用于测量波形的去嵌入传递函数进行了对比 在本例中, 目标传递函数是图 2 所中计算的带宽有限版本 图 5 中的波形代表着将图 3 中的校正传递函数用于测量波形的效应 幅度 (db) 传递函数滤波器 频率 (GHz) 图 4. 校正滤波器的频率响应 ( 蓝色 ) 与有损耗电缆的目标去嵌入传递函数的频率响应之间的对比 图 5. 有损耗电缆的波形 V meas 和 V sim 示例 6

7 创建传递函数 电路建模 计算传递函数需要完整而精确地描述测量电路和仿真电路 以上显示的电路便是一个良好示例 这些电路使用 Y 参数模型元素来进行描述 Y 参数模型是将端口电流描述为端口电压的函数的 N 端口网络模型的一种 它们非常便于执行节点电路分析 不过, 任何一种 N 端口网络模型均可用于描述这些电路, 因为所有 N 端口模型类型 (Z Y S H 等 ) 均可将其转换至其他的 N 端口模型类型 例如,S 参数被常常用于描述这些电路模型, 因为 S 参数非常易于直接测量 另外需注意的是, 上例中的模型是单端 2 端口模型, 尽管通常只画出两个连接, 但它们都暗含着到地的连接 观测节点 传递函数的计算还需要恰当定位两个电路的观测电压节点 此前的示例使用的是针对两个电路的同一观测节点, 并移除电缆 或者, 电缆可以留在原位, 但仿真观测节点必须重新定位 发射机设备 测量电路 示波器 V meas V src + - Y Tx Y cable Y scope 仿真电路 发射机设备 示波器 V src + - V sim Y Tx Y scope Y cable 图 6. 测量和仿真电路模型用于观测电缆输入的波形 注意, 示例中将示波器的测量观测节点置于示波器的模型模块之后, 而不是在其之前 这是由于采用 输入的高带宽示波器经过校准以测量入射电压, 而非输入节点电压 如果转换成 S 参数模型, 校准后的示波器输入模型 V scope 会具有不太理想的回波损耗和理想的插入损耗 而对于校准探头来说, 情况并非如此 探头已经过校准, 可用于测量探针的节点电压 因此, 无论测量观测节点位于探头输入模型模块之前还是之后, 这都没有关系 7

8 创建传递函数 探头负载示例 示波器探测电路非常普通, 也非常常见 尽管现代探头的设计可以最大程度降低寄生电路负载, 但它们通常会对测量精度产生重大影响 图 7 下式了使用 S 参数的示意图, 图 8 显示了原理图 发射机接收机 示波器探头 图 7. 数字发射机和接收机上的示波器探头负载 发射机设备 测量电路 示波器 V src + - V meas S Tx S Rx 100 1pF 仿真电路 发射机设备 示波器 V src + - V sim S Tx S Rx 图 8. 探头负载电路的 S 参数建模与空载电路的协同仿真 8

9 创建传递函数 探头负载示例 本例中的探头负载模型是一个简单的串联分路 RC, 它由引线电阻 R Probe =100 Ω 和电容 C Probe = 1pF 共同组成 如果两个电路的校正传递函数完全相同, 发射机和接收机模型的插入损耗不会对其产生影响 不过, 发射机的输出回波损耗和接收机的输入回波损耗确实会影响校正的传递函数 中间传递函数 Hm(f) 和 Hs(f) 以及作为结果的校正传递函数 H(f) 如图 9 所示 幅度 (db) 频率 (GHz) 图 9. 探头负载的传递函数 Hm Hs 和 H 示例图 10 中所示为校正本例中探头负载的波形和效应 在本例中, 模型所示探头的影响对 和 跳变造成了 10% 的降低 在本例中去除探头的影响将会相应打开眼图 图 10. 探头负载示例的 V meas 和 V sim 9

10 传递函数滤波器 根据前述内容, 时域 FIR 校正滤波器 h(t) 可从频域传递函数 H(f) 推导出来 此滤波器与测得波形卷积, 产生需要的协同仿真结果 由于校正滤波器可从传递函数创建, 它可用于由传递函数代表的全部带宽和频率分辨率, 但对于特定应用来说, 那未必是最好选择 因此, 在分析滤波器特征并对其优化以满足特定需求时要谨慎为之 滤波器带宽 考虑一下图 11 中传递函数的图形表示 它通过计算去嵌入了高达 9 GHz 的电缆损耗 注意图 11 中测得信号的频率分量 ( 绿色迹线 ) 仅可扩展至约 5 GHz 高于该频率的话仅仅是噪声 这个例子说明了为什么分析滤波器的特征需要谨慎为之 如果在此测量中应用整个 9 GHz 的校正, 它将简单地增加 或激发超过 5 GHz 的噪声, 而对测得信号没有任何明显益处 图 11. 去嵌入有损耗电缆的校正传递函数 ( 黄色 ) 测得信号 ( 黄色 ) 频谱, 与仿真信号的频谱 ( 蓝色 ) 10

11 眼图上的滤波器效应 注意限制图 11 中校正滤波器的带宽如何改进眼图测量 ( 见图 12) 顶部的眼图未使用去嵌入 中间的眼图描绘了去嵌入电缆损耗, 降低了码间干扰 (ISI), 但也会极大增加噪声 底部眼图仅仅描绘了高达 5.5 GHz 的去嵌入电缆损耗, 也会降低其 ISI, 但不会增加其噪声 图 12. 眼图测量使用 : 无去嵌入 去嵌入至 9 GHz 和去嵌入 11

12 理解滤波器长度 FIR 校正滤波器的长度 ( 系数或点数的数量 ) 决定了其应用长时间常数或缓慢变化特征的能力 也就是说, 更长的滤波器与具有出色频率分辨率的传递函数相对应 不过, 滤波器的长度也会影响波形处理时间 更长的滤波器会减慢示波器显示和测量更新速率 因此在选择滤波器长度时会有一个折衷 请重新回顾图 3 中的示波器显示 它选择的长度大约为 7 ns(280 点 ) 现在观察图 13 中的滤波器显示 此滤波器的设计采用同一传递函数, 但它只有约 2.5 ns 长 (100 点 ) 注意, 这个稍短的长度不足以代表目标传递函数的扰动和扭曲 ( 参见图 15) 传递函数滤波器 幅度 ( 比 ) 时间 (ns) 图 13. 滤波器的步进响应 ( 蓝色 ) 与有损耗电缆的去嵌入传递函数 ( 蓝色 ) 示例 尽管滤波器的长度通常可通过检查滤波器自身来优化, 但查看滤波器的步进响应会更有帮助 这是由于步进响应通常强调的是滤波器的低频分量, 而不是脉冲响应 ( 见图 14) 传递函数滤波器 幅度 ( 比 ) 时间 (ns) 传递函数滤波器 幅度 ( 比 ) 图 14. 有损耗电缆使用两个不同长度滤波器时的步进响应 ( 蓝色 ) 与去嵌入传递函数 ( 红色 ) 时间 (ns) 12

13 理解滤波器长度 图 14 中两个滤波器的步进响应在降低的滤波器长度上几乎是完全相同的 不过, 缩短传递函数, 一定会改变传递函数的频率响应, 并可用于平滑滤波器的有效频率响应 ( 见图 15) 缩短滤波器以产生平滑的滤波器响应是恰当的, 但需要注意, 确保此类操作适用于您的应用 特别是要对传递函数进行评估, 以快速改变相位或频率响应 幅度 (db) 传递函数滤波器 图 15. 长度缩短的有损电缆滤波器的频率响应 频率 (GHz) 两端口与四端口传递函数对比 到目前为止, 我们已经讨论了使用单端 2 端口网络进行的去嵌入 需要注意的是, 去嵌入可用于任何 N 端口网络 不过, 事实上, 有很多去嵌入应用涉及差分信号, 并且差分去嵌入应用使用差分 2 端口或 4 端口网络模型 差分 2 端口网络 差分 2 端口网络使用实际物理电路的简化模型, 只对信号的奇数模式进行建模, 而忽略了偶数模式 在去嵌入应用中使用差分 2 端口网络是简化和加快测量的一种非常有效的方式 不过, 它们只可用于对高度平衡的差分电路进行建模, 其中电路的偶数和奇数模式之间几乎没有耦合 13

14 理解滤波器长度 4 端口网络 当需要最高精度或您的差分电路无法得到良好平衡时, 您必须使用 4 端口网络来进行去嵌入 4 端口去嵌入电路必然比 2 端口电路更复杂, 因为它们必须要对两倍多的信号进行建模 ( 见图 16) 结果, 由这些电路推导出的传递函数变成了矩阵函数, 这与 4 端口网络模型自身相似 假设 : H(f) = H 11 (f) H 21 (f) H 12 (f) H 22 (f) V sim + (f) = H 11 (f) V meas + (f) + H 12 (f) V meas - (f) V sim - (f) = H 21 (f) V meas + (f) + H 22 (f) V meas - (f) 或在矩阵表中 V sim (f) = H (f) V meas (f) 发射机设备 示波器 V src V src + V sim + Y Tx Y cable Y scope + - V sim - V meas + V meas - 图 16. 差分应用的电路模型使用 4 端口 Y 参数 无论是讨论 2 端口还是 4 端口网络, 推导其模型的一个便捷方式便是通过测量 S 参数来生成, 或使用已开发出的仿真工具来生成 测量 S 参数可通过使用矢量网络分析仪 (VNA) 或时域反射计 (TDR) 来执行 S 参数文件自身的特征至关重要, 不过, 关于如何成功使用这些特征来实时生成示波器传递函数, 将在下一篇文章中进行探讨 总结 当目前条件与进行测量时的物理条件不同时, 工程师们需要能够转换示波器波形 工程师能够在不同角度观察到波形是什么样的, 这点至关重要, 或者使用 假设 场景, 电路元件与当初进行原始采集时的位置有所不同 本文为进行此类测量奠定了一个基础, 并展示了一种解决大量协同仿真问题的通用方法 ; 从去嵌入特定元素 嵌入电路模块, 直至改变观测电压节点的位置 这种方法涉及两个电路的定义 ; 测量电路和仿真电路, 它们确定了电路元件模型和观测点 这些电路通过预先分析生成传递函数, 当其脉冲响应与物理测得波形进行卷积时, 能对提出的转化问题进行解答, 而无需实际改变测量设置 本系列的下一篇文章将讨论示波器去嵌入应用的 S 参数要求 本教程帮助读者全面了解示波器数据如何进行互操作, 以及它与 S 参数有什么样的关系 14

15 15 是德科技 转换示波器采集以去嵌入 嵌入和仿真通道效应 应用指南 mykeysight 个性化视图为您提供最适合自己的信息! AdvancedTCA Extensions for Instrumentation and Test(AXIe) 是基于 AdvancedTCA 标准的一种开放标准, 将 AdvancedTCA 标准扩展到通用测试半导体测试领域 是德科技是 AXIe 联盟的创始成员 局域网扩展仪器 (LXI) 将以太网和 Web 网络的强大优势引入测试系统中 是德科技是 LXI 联盟的创始成员 PCI 扩展仪器 (PXI) 模块化仪器提供坚固耐用 基于 PC 的高性能测量与自动化系统 3 年保修是德科技卓越的产品可靠性和广泛的 3 年保修服务完美结合, 从另一途径帮助您实现业务目标 : 增强测量信心 降低拥有成本 增强操作方便性 是德科技保证方案 5 年的周密保护以及持续的巨大预算投入, 可确保您的仪器符合规范要求, 精确的测量让您可以继续高枕无忧 是德科技公司 DEKRA 认证 ISO 9001:2008 质量管理体系 是德科技渠道合作伙伴 黄金搭档 : 是德科技的专业测量技术和丰富产品与渠道合作伙伴的便捷供货渠道完美结合 Insert registered trademarks and copyright notes here. 如欲获得是德科技的产品 应用和服务信息, 请与是德科技联系 如欲获得完整的产品列表, 请访问 : 是德科技客户服务热线热线电话 : 热线传真 : 电子邮件 : tm_asia@keysight.com 是德科技 ( 中国 ) 有限公司北京市朝阳区望京北路 3 号是德科技大厦电话 : 传真 : 邮编 : 是德科技 ( 成都 ) 有限公司成都市高新区南部园区天府四街 116 号电话 : 传真 : 邮编 : 是德科技香港有限公司香港北角电器道 169 号康宏汇 25 楼电话 : 传真 : 上海分公司上海市虹口区四川北路 1350 号利通广场 19 楼电话 : 传真 : 邮编 : 深圳分公司深圳市福田区福华一路 6 号免税商务大厦裙楼东 3 层 3B-8 单元电话 : 传真 : 邮编 : 广州分公司广州市天河区黄埔大道西 76 号富力盈隆广场 1307 室电话 : 传真 : 邮编 : 西安办事处西安市碑林区南关正街 88 号长安国际大厦 D 座 501 电话 : 传真 : 邮编 : 南京办事处南京市鼓楼区汉中路 2 号金陵饭店亚太商务楼 8 层电话 : 传真 : 邮编 : 苏州办事处苏州市工业园区苏华路一号世纪金融大厦 1611 室电话 : 传真 : 邮编 : 武汉办事处武汉市武昌区中南路 99 号武汉保利广场 18 楼 A 座电话 : 传真 : 邮编 : 上海 MSD 办事处上海市虹口区欧阳路 196 号 26 号楼一楼 J+H 单元电话 : 传真 : 邮编 : 本文中的产品指标和说明可不经通知而更改 Keysight Technologies, Published in USA, August 2, 2014 出版号 : CHCN

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