32GHz帶寬實時示波器技術揭秘（五）

　　圖3 用頻譜儀測量PCI-E Gen III 8Gbps的1010序列信號，即4GHz時鐘信號，可以清楚見到3次諧波（12GHz）和5次諧波（20GHz），圖中鍺硅示波器在100mv/div設置下的噪聲底在-26.6dBm的位置，不僅淹沒了2次諧波、4次諧波、5次諧波，也幾乎淹沒了3次諧波，而磷化銦示波器的噪聲底在-36dBm 位置處，可清楚看到5次諧波

　　這里面引起一個思考，也是過往工程師很少考慮的，伴隨著被測信號頻率提升和示波器帶寬的提高，有一個兩難問題出現，一方面被測信號頻率提升，其諧波頻率自然跟著提升，因此需要更高帶寬的示波器來量測，另一方面，高次諧波的能量往往比較低，示波器在保證帶寬足夠覆蓋高次諧波的情況下，還要保證其低噪聲不要將低能量的高次諧波淹沒掉了。在以往，或測量低速信號時，人們只需考慮帶寬而無需考慮示波器低噪聲的。

　　除了本底噪聲以外，工程師也常用有效比特來衡量示波器垂直系統，它反映的是電壓波形幅值總體測量精度，將示波器本底噪聲、諧波失真等因素綜合考慮進去的一個指標，詳情可另文撰寫。圖4顯示出磷化銦示波器的有效位數（ENOB）遠優(yōu)異于鍺硅示波器，最上面的曲線代表磷化銦示波器，在大部分情況下是6 比特左右，最壞的情況是5.5比特，而鍺硅20GHz示波器最好的情況是5比特，最差情況不到3比特。

　圖4 磷化銦示波器的有效位數（ENOB）遠遠優(yōu)異于鍺硅示波器

　　均衡處理

　　因為電路板材料在高頻時呈現高損耗，目前的高速串行總線速度不斷演進，使得流行的電路板材料達到極限，信號速度高到一定程度后，信號到達接收機端之后，已經有較大的損耗，因此可能導致接收端無法正確還原和解碼信號，從而出現誤碼；如果直接觀察這個時候接收端的眼圖，它可能是閉合的。因此工程師可以有兩種選擇，一是在設計中使用較為昂貴的電路板材料，另外是仍然沿用現有材料，但采用某種技術補償其損耗誤差。考慮到低損耗電路板材料和線路的成本太高，我們通常都會優(yōu)先選擇補償技術的做法。均衡就是這樣一種技術，有了這一技術，FR4等傳統電路板材料不至于很快被淘汰。使用均衡技術意味著在接收機上要使用均衡芯片或均衡算法。目前采用均衡技術的實例包括 SATA 6G、SAS 6G、光纖通道、PCI Express Gen2、USB3.0等。

　　人們在使用新技術的時候往往關注其帶來的好處，忽視其負面效應，認識負面效應，對深度理解測量結果和被測對象實際上有非常大的幫助，那么均衡技術有什么負面效應，磷化銦示波器在均衡技術方面貢獻的是什么？

　　理想情況下，被測信號經過被測對象上的布線時，所有的頻率成分都會被均等地傳遞到電路的另一端，但是由于電路板材料的損耗，高頻的成分相對于低中頻成分往往被衰減得更多，如圖5黑色實線所示。均衡技術從頻域的角度看，就是對被衰減的高頻成分進行放大補償，從而使得低中高所有頻率成分得到同等的放大或縮小待遇。圖5顯示兩種均衡算法，一是FFE（前饋均衡）,另一是DFT（判決反饋均衡）的頻域補償等效圖，虛線代表均衡算法如何對信號進行補償，紅線代表補償后的最后結果，理想的情況下，是一條水平的平坦的線，在術語上，稱作頻響平坦度，說的是信號經過一段電路，其不同頻率成分應該以相同的放大或縮小倍數被傳遞。

圖5 均衡技術的頻域補償等效圖

　　這里面有一個問題，無論是哪一種均衡技術，都是對高頻成分進行信號放大，對示波器而言，就是將采集來的數據進行數據處理，對其高頻部分放大；這里示波器采集來的數據包含了示波器本身噪聲，因此放大高頻信號的同時也不可避免地會放大了其本底噪聲，示波器本底噪聲越大，使用均衡技術的副作用越明顯。磷化銦示波器的本底噪聲低，雖然在采用均衡技術時，一樣有副作用，但副作用已經相對很低了。所以，我說磷化銦示波器對均衡技術而言，最大的貢獻是最小化了均衡技術的副作用。