32GHz带宽实时示波器技术揭秘（五）

　　图3 用频谱仪测量PCI-E Gen III 8Gbps的1010序列信号，即4GHz时钟信号，可以清楚见到3次谐波（12GHz）和5次谐波（20GHz），图中锗硅示波器在100mv/div设置下的噪声底在-26.6dBm的位置，不仅淹没了2次谐波、4次谐波、5次谐波，也几乎淹没了3次谐波，而磷化铟示波器的噪声底在-36dBm 位置处，可清楚看到5次谐波

　　这里面引起一个思考，也是过往工程师很少考虑的，伴随着被测信号频率提升和示波器带宽的提高，有一个两难问题出现，一方面被测信号频率提升，其谐波频率自然跟着提升，因此需要更高带宽的示波器来量测，另一方面，高次谐波的能量往往比较低，示波器在保证带宽足够覆盖高次谐波的情况下，还要保证其低噪声不要将低能量的高次谐波淹没掉了。在以往，或测量低速信号时，人们只需考虑带宽而无需考虑示波器低噪声的。

　　除了本底噪声以外，工程师也常用有效比特来衡量示波器垂直系统，它反映的是电压波形幅值总体测量精度，将示波器本底噪声、谐波失真等因素综合考虑进去的一个指标，详情可另文撰写。图4显示出磷化铟示波器的有效位数（ENOB）远优异于锗硅示波器，最上面的曲线代表磷化铟示波器，在大部分情况下是6 比特左右，最坏的情况是5.5比特，而锗硅20GHz示波器最好的情况是5比特，最差情况不到3比特。

　图4 磷化铟示波器的有效位数（ENOB）远远优异于锗硅示波器

　　均衡处理

　　因为电路板材料在高频时呈现高损耗，目前的高速串行总线速度不断演进，使得流行的电路板材料达到极限，信号速度高到一定程度后，信号到达接收机端之后，已经有较大的损耗，因此可能导致接收端无法正确还原和解码信号，从而出现误码；如果直接观察这个时候接收端的眼图，它可能是闭合的。因此工程师可以有两种选择，一是在设计中使用较为昂贵的电路板材料，另外是仍然沿用现有材料，但采用某种技术补偿其损耗误差。考虑到低损耗电路板材料和线路的成本太高，我们通常都会优先选择补偿技术的做法。均衡就是这样一种技术，有了这一技术，FR4等传统电路板材料不至于很快被淘汰。使用均衡技术意味着在接收机上要使用均衡芯片或均衡算法。目前采用均衡技术的实例包括 SATA 6G、SAS 6G、光纤通道、PCI Express Gen2、USB3.0等。

　　人们在使用新技术的时候往往关注其带来的好处，忽视其负面效应，认识负面效应，对深度理解测量结果和被测对象实际上有非常大的帮助，那么均衡技术有什么负面效应，磷化铟示波器在均衡技术方面贡献的是什么？

　　理想情况下，被测信号经过被测对象上的布线时，所有的频率成分都会被均等地传递到电路的另一端，但是由于电路板材料的损耗，高频的成分相对于低中频成分往往被衰减得更多，如图5黑色实线所示。均衡技术从频域的角度看，就是对被衰减的高频成分进行放大补偿，从而使得低中高所有频率成分得到同等的放大或缩小待遇。图5显示两种均衡算法，一是FFE（前馈均衡）,另一是DFT（判决反馈均衡）的频域补偿等效图，虚线代表均衡算法如何对信号进行补偿，红线代表补偿后的最后结果，理想的情况下，是一条水平的平坦的线，在术语上，称作频响平坦度，说的是信号经过一段电路，其不同频率成分应该以相同的放大或缩小倍数被传递。

图5 均衡技术的频域补偿等效图

　　这里面有一个问题，无论是哪一种均衡技术，都是对高频成分进行信号放大，对示波器而言，就是将采集来的数据进行数据处理，对其高频部分放大；这里示波器采集来的数据包含了示波器本身噪声，因此放大高频信号的同时也不可避免地会放大了其本底噪声，示波器本底噪声越大，使用均衡技术的副作用越明显。磷化铟示波器的本底噪声低，虽然在采用均衡技术时，一样有副作用，但副作用已经相对很低了。所以，我说磷化铟示波器对均衡技术而言，最大的贡献是最小化了均衡技术的副作用。