【技术】什么在影响示波器的本底噪声从而影响眼高？
在《【技术】示波器的本底噪声对高速串行信号眼图测试的影》中我们讨论了示波器的本底噪声对串行信号眼图测试精度的直接影响，本文我们将讨论究竟是什么在影响示波器的本底噪声从而影响眼高？
在众多接口类高速串行信号物理层一致性测试（Compliance Test）中，如 USB3.x/HDMI2.0/DP/SATA/PCIE3.0/SFP+等，为了实现一致性测试的标准化和兼容性通常采用夹具配合高频电缆将信号连接到示波器上。随着信号速率的持续推高，夹具的有限带宽正在日益成为高速信号测试中的误差来源之一。以HDMI2.0测试为例，去除（De-Embedding）夹具中的连接器引起的损耗后-3dB带宽可达26.5GHz与去除之前相比有非常显著的改善。也就是说在实际的测试系统中，由于夹具有限性能引入了额外的测试误差，事实上夹具本身不是真实运行系统中的一部分而只是为了归一化测试环境和方便测试。在今天的高速串行信号测试中随着信号速率的提高，系统裕量越来越小，夹具引入的测试误差已经成为不可忽略的因素，因此夹具的去嵌正在成为高速串行信号一致性测试中的一部分。
图1：Wilder公司HDMI2.0夹具和夹具去嵌效果示意图
去嵌的原理是什么呢？为何如此重要？
图2：夹具去嵌理论示意图
如上图所示，最下方的曲线是夹具本身的频响曲线，其-3dB频点在5GHz左右。采用黄色曲线进行逆向放大后得到最终中间的曲线其-3dB频点在9GHz左右，大大的补偿了夹具在5GHz-9GHz的损耗。前面描述的这个过程就是夹具的去嵌（De-Embedding），也就是说通过这个信号处理将额外的为了方便测试和标准化而引入的夹具带来的信号损耗或误差进行了放大补偿。在这个放大的过程中，除了对信号进行放大，也会放大示波器的本底噪声，从而引入更多额外的测试误差和不确定性。因此低本底噪声的示波器会带来更高的眼图张开度，即眼高。
以上讨论的对夹具所做的去嵌的处理，有时也会用在对电缆上。KEYSIGHT公司在Infiniium系列示波器上提供了N2809A Precision Probe选件，可以自动完成对夹具和电缆的去嵌。
如图3所示，左边的眼图是没有做电缆损耗去嵌之前测试的结果，右边的眼图是去嵌电缆损耗后得到的结果，很明显地眼睛张开度大幅提高了35mV左右。但是同时也可以看到眼睛的眼皮变厚了即噪声在这个过程中不可避免地被放大了。低本底噪声的示波器在这个去嵌放大的过程中由于其低本底噪声必然会得到更加优异的测试效果。
除了N2809A选件可以完成针对夹具和电缆去嵌的处理，Keysight公司的N5465A/B InfiniiSim选件提供了更多关于夹具和电缆去嵌及嵌入的方法。
图3：去嵌前后眼图测试效果对比
今天的串行高速信号处理中，除了上面提到的夹具和电缆去嵌对本底噪声的放大的影响外，还有一个更为普遍的是高速串行链路接收端（Receiver）里的均衡（Equalization），包括前向均衡FFE（Feed-Forward Equalization）和后向均衡DFE（Decision Feedback Equalization）典型地如USB3.x Gen1 5Gbps里的接收机里的CTLE（Continuous Linear Equalizer，FFE的一种）均衡：
图4：USB3.0接收端CTLE均衡示意图
上图中可以看到800MHz-8GHz频带范围内，接收机里的CTLE对信号均在作一放大，最高达3dB左右。这一放大主要是为了补偿信号由于传输链路的的有限带通引起的损耗。在实际的测试过程中，无论是夹具还是示波器的探头都不可能探测到接收机里的均衡后信号。因此这个均衡处理都需要示波器里的分析软件来完成，比如针对USB3.x测试，如下图所示中红色标线处的CTLE On即代表示波器的一致性分析软件里接收端的CTLE均衡算法将打开：
图5：Keysight USB3.1 U7243B一致性测试软件设置界面
当示波器软件执行均衡算法时必然也会放大仪器的本底噪声，从而削减预留的裕量。在均衡放大的过程中类似于夹具去嵌，除了对信号进行放大，也会放大示波器的本底噪声，从而引入更多额外的测试误差和不确定性。因此同理低本底噪声的示波器会带来更高的眼图张开度，即眼高。
在很多标准的一致性测试中，引入夹具进行规范化的一致性测试。但是在某些场合下也需要采用探头进行测试，比如需要高阻测试的场合或者多链路同时测试比如HDMI2.0等。探头本身也是会有一定衰减，当探头在示波器外部对信号衰减的时候，示波器会再对信号进行放大，这个放大过程也会对示波器的本底噪声进行放大，从而削减系统预留的裕量，最终在测试结果上就是会削减眼图张开度即眼高。
当然在示波器使用过程中还有一些其它的小的设置可能也会影响到测量的精度，比如档位和垂直偏移等等，本文就不再讨论了。
因此到这里，本文不仅仅是在讨论示波器的本底噪声如何影响眼睛张开度，也是在说明如果遇到眼睛张开度不够即眼高测试失败，如何尝试解决问题的一些思路或者角度。
在今天的串行信号速率日益推高的趋势下低电压，高转换速率的特点必然带来系统预留的设计裕量日益紧缩。另一方面，源自于市场的降成本的压力也会持续的压缩设计裕量。因此采用低本底噪声示波器进行测试为系统设计保留更多的裕量已经成为广大业界从业人员的明智选择。进而示波器的本底噪声也正在成为高速示波器继带宽，采样，存储和触发后第五个重要指标，成为购买和选型时的最重要评价指标之一。
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世强代理 Lv7. 资深专家 2018-07-11支持世强提供资料收藏 -
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小林子 Lv4. 资深工程师 2017-12-18收藏了。 -
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goddog Lv5. 技术专家 2017-10-27好文章！
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