是德科技解析底噪是什么、示波器底噪怎么测及其对高速眼图测试的重要性

考察示波器性能不够，射频工程师开口几个指标：底噪，相噪和动态范围。这几个指标个个都戳中示波器的痛点。

●底噪够不够低？

●相噪行不行？

●射频指标不够？

●宽带？带宽咱就不说了，5G Hz带宽是低配，10 GHz带宽是高配，110GHz是上限

影响信号完整性因素包括带宽，采样率，底噪，抖动，探头等。今天我们来看一下影响信号完整性的其中一个因素，示波器底噪。

示波器底噪是什么？示波器的底噪是怎么产生的？

我们所说的“底噪”，通常是指示波器的“基线本底噪声”，在示波器的模拟前端和数字转换过程造成的垂直噪声。底噪在示波器屏幕上表现出来就是当示波器置于最灵敏的垂直档位时产生的噪声波形。当然，示波器底噪与仪器使用的器件、硬件设计、信号处理等各方面都有关系。

示波器底一般指示波器在测量中与信号存在与否无关的一切干扰，主要是由示波器的衰减器，前端放大器以及模数转换器产生。

图1 示波器的典型结构图

示波器的本底噪声也主要来自于上图中的衰减器和前置放大器部分,这是任何电路和部件本身无法完全消除的，这个本底噪声会叠加在信号上，ADC 在采样时是无法区分的也即 ADC 采样时会全部量化，而这个本底噪声也会被当成为信号的一部分。衰减器在对信号衰减后，示波器在完成采样后做信号处理时重新放大信号,而这个重新放大的过程同时也会把前端的衰减器的本底噪声进行放大。

图2 本底噪声如何引入示意

因此作为示波器前端部件性能的衡量指标的本底噪声数值就成为示波器产品手册上必须标注的一个指标。

当我们在测量一些微小信号时，测量过程中引入的干扰噪声是不能忽略的，既然不能消除它，就要尽量选择噪声足够小的机器。当示波器底噪很大时，就会影响微小信号的测量准确度；若示波器底噪很低，则微小信号的测量就会更准确，那么测量工作就会更有价值。

如果测量小信号，应该选择什么样的示波器?

一般而言，示波器底噪都在几百微伏（μV）至毫伏（mV）的范围内。我们这里介绍在测量小信号时对示波器的几点考虑。

如果要测几个mV以上的信号时可以考虑用示波器，以下几点需要注意：

第一，带宽要合适，带宽越大，示波器底噪越高。若有必要可以打开带宽限制功能。

第二，有必要的话可以将采集模式调整为高分辨率模式。是德科技的高分辨率模式可以模拟出12位AD的效果，抑制噪声的效果也很好。

第三，测小信号尽量用1：1的探头。

ENOB和示波器本底噪声的关系

ENOB不仅和基础的ADC位数有关，还和示波器的本底噪声和水平插值误差或者采样精度有关。因此理论的ADC位数不能直接换算成示波器的最终ENOB，也就是说评估示波器的垂直分辨率更为有价值的指标是系统ENOB。因此如果您在评估示波器时应当要求厂家明确给出其产品带宽范围内在不同频点下的ENOB。

客观上，由于示波器的本底噪声呈高斯随机分布，带宽越大，噪声越大，因此在高频点实时示波器的ENOB可能由于本底噪声的缘故牺牲很多。

这也是为什么在高带宽示波器上必须采用更高ADC位数的原因。近几年来超高速串行信号和高阶调制信号的发展对更高带宽示波器的ADC位数提出了很苛刻的要求，当然KEYSIGHT已经用UXR系列10bit超高端示波器交出了完美的答卷。

谈及ENOB则必须谈及针对ADC芯片的最常用评估参数——SINAD(Signal-to-Noise-and-Distortion Ratio)，是信号幅度均方根与所有其他频谱分量（包括谐波，但不包括DC）的均方根（RSS）平均值之比。除非另有说明，否则SINAD一般都使用正弦波输入信号进行测量。基于不同频率下的SINAD值，可以得到ADC或者示波器不同频点下的ENOB：

图 3ENOB与SINAD换算公式

如何正确测试示波器的ENOB呢？

沿袭自SINAD测量，用固定幅度的正弦波对示波器的通道进行扫频，测量示波器上的电压结果。然后使用后处理工具（例如MathWorks MATLAB）进行计算，无论在时域和频域都可以。

基于时域方法，通过从测量所得结果中减去对应时间的理论最佳拟合电压。差值来源主要是噪声，这可能来自示波器的前端，一般由诸如相位非线性和扫频信号的幅度变化等。噪声也可能来自于ADC的间插采样失真。

基于频域方法，则通过从整个宽带功率中减去与主频分量相关的功率来计算ENOB。基本步骤如下：

1) 输入一个精准的RF正弦波到给定的通道，信号频率在带宽之内；
2) 注意正弦波的Vpp保持不变，因为这非常重要，每个步骤都使用相同幅度的信号输入；
3) 将捕获的波形文件加载到MathWorks中，并计算数据的均方误差;
4) 以不同的正弦波频率重复步骤1至3，确保每个步骤的 Vpp都相同。（这是一个关键步骤，同时保持同一Vpp幅度，以免Vpp的变化导致更高或更低 ENOB）

可见，采用精准正弦波扫频到示波器额定带宽频点进行测量是正确表征示波器ENOB的基础。业界有的产品给出的ENOB测量条件为10 MHz正弦波在示波器不同带宽下的值，显然没有完全准确表征，因为其输入的10 MHz正弦波在示波器不同带宽下没有任何幅度变化，主要计入的只是不同带宽下的示波器垂直本底噪声影响。

磷化铟（InP）专利技术

磷化铟（InP）专利技术是Keysight独有，专利磷化铟（InP）集成电路制程，旨在提供超低本底噪声、更大电压量程和更宽的带宽。该制程应用在前置放大器、触发、采样、ADC和探头放大器集成电路设计中。

磷化铟(InP)材料具有电子漂移速度高、耐辐射性能好、导热好 的优点。与SiGe半导体相比，它具有击穿电场、热导率、电子 平均速度均高的特点。通过下面的材料性能对比可以看出，磷化铟半导体材料具有更高带宽的优势。这意味着用磷化铟(InP)材料制作的器件能够放大更高的频率或者更短波长的信号。

图 4

利用磷化铟(InP)材料制成的放大器可以工作在300GHz以上的极高频率上，并且具有非常低的噪声，受外界影响较小，稳定性高， 是一种更为先进的半导体材料。

Infiniium V系列的前端多芯片模块利用专利的尖端封装技术，将前置放大器、触发和采样技术整合在一起。凭借精密的微电路工 艺和广泛的射频设计经验，是德科技开发了高频电气特性和散热 性能格外出众的前端多芯片模块。独有的封装技术在设计中集成了准同轴路径，确保能够屏蔽信号，它还为采样器芯片提供了高速时钟，以获得最精确的采样时基。

是德科技在设计关键技术时采用了专利磷化铟（InP）集成电路制程，旨在提供超低本底噪声、更大电压量程和更宽的带宽。该 制程应用在前置放大器、触发、采样、ADC和探头放大器集成 电路设计中。这不仅意味着您购买了具有当今最佳性能的工具， 还预示着您可以依赖是德科技在未来仍然保持技术领先

示波器底噪怎么测?

三步教你如何测试示波器底噪

1. 示波器不接探头或示波器BNC信号与地短接；

2. 设置合适的水平时基档位和垂直时基档位；

4. 按Trigger，调整触发电平，使示波器底噪波形稳定显示。

图 5

N7010A单端有源适配器

N7010A单端有源适配器提供共摸端接，利用低衰减比设置 (1.16:1)，将示波器底噪降至极低水平，尤其是在高灵敏度垂直标度下。

图 6

示波器底噪受多种因素的影响，比如采样率、带宽、通道耦合方式、通道垂直分辨率和水平时基档位等；对示波器进行底噪对比测量时，应尽量排除其他因素的影响，示波器档位设置应尽量灵敏。

示波器底噪自然是越低越好，但是底噪的测量是受各种因素影响的，示波器在进行比较的时候单独只看一个参数意义不大，比如带宽越高的示波器往往底噪也会越高，而几十M带宽的示波器底噪可能反而会很低。当我们进行比较的时候，应该让示波器的其他参数和设置保持一致。

从总体上来说，示波器指标对底噪的影响情况为：

带宽越高，噪声越大，因为带宽越高，采集到的信号谐波分量越丰富；

采样率越大，噪声越大，因为采样点越多，重构波形越精确，所看到的信号细节越多。

示波器底噪对高速眼图测试的重要性

眼图测试

眼图测试的必测参数之一是眼高：

图 7 眼图测试示意图

上图是一个典型的眼图测试各指标的示意图。其中眼高定义如下：

Eye Height = (PTopmean-3*PTopsigma)-(PBasemean+3*PBasesigma)

PTopsigma即为眼图波形顶部的噪声标准偏差或均方根值，PBasesigma为眼图波形底部的噪声标准偏差或均方根值。由此可见，眼高最终结果与波形噪声标准偏差有直接关系。而波形噪声标准偏差不仅仅与波形本身有关，如前文所述与示波器底噪也是紧密相关的。

即便是同品牌同带宽的示波器产品, 本底噪声水平也是不同的。

图 8 不同底噪的示波器眼图测试效果差异

这里是两款 4 GHz 带宽示波器测试同一个信号的眼图。两款示波器的带宽、垂直/水平设置完全相同。您可以看到, 右图 Infiniium S 系列示波器由于其低噪底和10bit ADC等特性更真实地再现了信号的眼图, 眼图高度比左图高 200 mV,提供了一个误差更小精度更高的测量结果。

以上我们讨论了示波器底噪对串行信号眼图测试精度的直接影响。

图 9最优的底噪声保证最大的眼图裕量!!!

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，下图是由Wilder公司提供的HDMI2.0 TPA-P夹具。根据Wilder公司的数据，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 10 Wilder公司HDMI2.0夹具和夹具去嵌效果示意图

既然去嵌如此重要，那么去嵌的原理是什么呢？

去嵌的原理

图 11 夹具去嵌理论示意图

既然去嵌如此重要，那么去嵌的原理是什么呢？

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，也会放大示波器底噪,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。在Infiniium系列示波器上有可以自动完成对夹具和电缆的去嵌的选件。

如下图所示，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。更多关于夹具和电缆去嵌及嵌入的方法。

图 12 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 13 USB3.0接收端CTLE均衡示意图

上图中可以看到 800 MHz-8 GHz 频带范围内，接收机里的 CTLE 对信号均在作一放大，最高达 3 dB 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 14USB3.1 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底噪进行放大，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。

总结

本文主要就示波器底噪对高速串行信号的眼图测试结果的影响做了一些初步的介绍和讨论，主要有以下几点：

❶示波器底噪本身会对眼睛张开度即眼高有直接影响。
❷ 夹具和电缆去嵌处理过程中的逆向放大或补偿会放大示波器底噪，从而影响眼高。
❸ 示波器上的测试软件在模拟高速串行链路中广泛采用的接收机均衡算法时，会在放大信号的同时也放大仪器的本底噪声，从而影响眼高。
❹采用探头时探头衰减后在示波器里的放大过程也会放大示波器的本底噪声从而影响眼高。

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底噪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。

示波器乃至整个测量系统的本底噪声对眼图张开即眼高测试结果有很大的影响，当然对整个系统的其它评价指标如抖动乃至误码率 BER(Bit Error Ratio) 当然也会产生很大影响。

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。进而示波器底噪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。