ИСПОЛЬЗОВАНИЕ DSP ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ БЫСТРОДЕЙСТВИЯ

В идеале измерительное оборудование должно иметь импульсные характеристики (в частности, время нарастания переходной характеристики) значительно лучшие, чем у исследуемого устройства. При работе над системами с последовательным интерфейсом последнего поколения, имеющими время нарастания импульса порядка 30 пс (от 20% до 80% от установившегося значения), выполнить подобное требование становится очень трудно. Для решения этой проблемы большинство современных цифровых осциллографов использует цифровую обработку сигнала. При этом применяются новые методы обработки – нормализация, сглаживание амплитуды, фазовая коррекция или рекомбинационная обработка сигнала. В статье рассматриваются случаи, когда эти методы используются наиболее выгодно.

 Улучшение АЧХ

В идеале АЧХ осциллографа должна быть плоской на всех частотах начиная с постоянного тока и до наибольшей рабочей частоты, а затем иметь плавный спад. Исходная АЧХ аналоговой части, показанная на рисунке 1 красной линией, соответствует этим требованиям в диапазоне частот до 12 ГГц. Поскольку исходная АЧХ не зависит от работы DSP, на частотах до 12 ГГц можно использовать любые частоты выборки, а не только 40 Готсч/с, т.е. максимально возможные для данного осциллографа. Однако уплощение АЧХ и фазовая коррекция с помощью DSP, результат работы которого показаны на том же рисунке синей линией, обеспечивают несколько преимуществ при исследовании реальных высокочастотных сигналов.

  

Рисунок 1 - Исходная и скорректированная АЧХ осциллографа Tektronix TDS6154C

Максимальная рабочая частота осциллографа

Чтобы проанализировать пригодность осциллографа для исследования высокоскоростных сигналов, Говард Джонсон использует понятие частоты среза, которую определяет как частоту, ниже которой сконцентрирована основная энергия импульса. Соответственно, необходимую полосу пропускания осциллографа можно вычислить по формуле:

F_max = 0,5/T_н, (1)

где Tr – время нарастания импульса от 10 до 90% от установившегося значения. Осциллограф с плоской АЧХ и линейной ФЧХ будет отображать импульсы с временем нарастания Tr без искажений. Из этой формулы следует, что осциллограф с полосой 15 ГГц будет способен точно отобразить импульс с временем нарастания 33 пс. Поскольку такие нежелательные эффекты, как выбросы и звон, возникают только при малых длительностях фронтов импульсов, некоторые считают допустимым затягивание фронтов на период до 35% от периода импульса или даже более. Данные в двоичном формате NRZ (без возврата к нулю) со скоростью передачи 6,25 Гбит/с будут в этом случае иметь время нарастания 56 пс. Согласно формуле (1) это соответствует полосе пропускания осциллографа 9 ГГц. Если время нарастания гарантированно не превышает 56 пс, осциллограф с плоской АЧХ и линейной ФЧХ сможет без искажений осуществить захват сигнала без искажений.

Последовательные интерфейсы работают в широком диапазоне скоростей передачи. Нецелесообразно использовать для каждой скорости передачи данных свой тип драйвера линии связи. Например, драйвер, используемый для передачи данных со скоростью 8,5 Гбит/с, можно использовать при передаче данных со скоростью 5 Гбит/с. В процессе обновления оборудования, даже при сохранении скорости передачи данных, время нарастания может значительно уменьшиться. В результате минимальное время нарастания может быть существенно меньше, чем 35% от длительности импульса. Например, для модуля памяти FB-DIMM при скорости передачи данных 3,2 Гбит/с минимальное время нарастания составляет всего 30 пс, или 15% от длительности импульса. При исследовании подобных сигналов осциллограф должен обладать значительно более широкой полосой частот, чем можно было бы предположить, для обеспечения достоверности измерений.

Рисунок 2 - Неотфильтрованный сигнал Avantest BERT. На переходной характеристике осциллографа с полосой 12 ГГц заметны выбросы и отсутствие затягивания фронтов при сигнале со временем нарастания 25 пс

На рисунке 2 приведена осциллограмма сигнала передачи данных со скоростью 6,25 Гбит/с с временем нарастания 25 пс (с 20 до 80%), что соответствует 33 пс при переходе от 10 до 90%. 33 пс соответствуют 21% от длительности импульса. Согласно формуле (1) осциллограф для исследования таких сигналов должен иметь плоскую АЧХ и линейную ФЧХ в диапазоне частот до 15 ГГц. Таким образом, осциллограф с характеристиками, приведенными на рисунке 1, не подходит для этой цели.

Рисунок 3 - Расширение полосы пропускания до 15 ГГц за счет включения коррекции дает минимальные выбросы и затягивание фронтов даже при времени нарастания 25 пс (от 20 до 80%)

Однако если расширить частотный диапазон прибора за счет обработки сигнала, станет возможным использование этого осциллографа для точных измерений даже при минимальных значениях времени нарастания фронтов импульсов. В данном случае улучшение достигается за счет увеличения амплитуды сигналов с частотой менее 17 ГГц и одновременного уменьшения ее на частотах выше 17 ГГц, как показано на рисунке 1. За счет точной коррекции амплитудно- и фазочастотных характеристик удается избежать перерегулирования и звона без затягивания фронтов даже при их длительности 25 пс при прямом захвате выходного сигнала Avantest BERT без дополнительной фильтрации.

Методы улучшения характеристик осциллографа Tektronix TDS6154C

Метод улучшения характеристик осциллографов серии TDS6000C базируется на использовании фирменной технологии фильтрации FIR. Этот метод требует тщательной калибровки в процессе изготовления прибора. Вычисление коэффициентов в процессе калибровки основывается на измерении отклика осциллографа отдельно для каждого канала и каждого положения аттенюатора. Эти коэффициенты используются для коррекции частотных характеристик в процессе работы осциллографа. Результатом коррекции, известной как выравнивание каналов, становится почти точное совпадение амплитудных и фазовых характеристик всех каналов измерения, причем в процессе работы пользователь может при необходимости эту коррекцию отключить.

Когда оправдано включение режима коррекции

Если спектр сигнала заключен в пределах максимальных рабочих частот осциллографа, включение режима коррекции дает следующие преимущества без нежелательных побочных эффектов:

• режим коррекции позволяет получить более точно откалиброванный по амплитуде отклик вместе с более линейным фазовым сдвигом;
• режим коррекции позволяет более точно сравнивать сигналы в различных каналах, так как каждый канал калибруется отдельно для достижения максимальной близости их частотных и фазовых характеристик;
• режим коррекции позволяет получить более точные изображения формы сигналов, что хорошо видно на рисунке 3, соответствующем сигналу со временем нарастания более 42 пс;
• режим коррекции позволяет уменьшить дрожание, обусловленное ограниченной полосой пропускания (т.н. межсимвольную интерференцию);
• этот режим позволяет улучшить измерение частотного диапазона (спектральный анализ), так как исходные данные для быстрого преобразования Фурье оказываются более точными.

Когда не следует использовать режим коррекции полосы частот или другие типы обработки сигналов

Вполне естественен вопрос о том, в каких случаях применение цифровой обработки сигналов может отрицательно повлиять на процесс измерений. Существует несколько случаев, в которых может оказаться желательным отключение режима коррекции.

• Если пользователь применяет собственный алгоритм обработки.
• Если используются «продвинутые» режимы осциллографа, например, перерегулировка входных каскадов для «растяжки» части сигнала на весь экран или комбинирование двух либо более каналов для расширения динамического диапазона. В таких режимах коррекция за счет цифровой обработки сигнала будет неточной.
• При использовании частотного чередования каналов для перекрытия требуемой полосы частот следует помнить, что перегрузка одного или нескольких каналов не всегда учитывается в процессе обработки. Для фиксации факта перегрузки канала пользователь может отключить рекомбинационную обработку сигналов.
• Если какие-либо аппаратные функции несовместимы с некоторыми видами цифровой обработки сигналов, пользователь, возможно, полностью отключит такую обработку.

 Заключение

Тщательно проработанные методы цифровой коррекции могут расширить возможности пользователя при проведении высокочастотных измерений. При этом той основой, на которой базируется успешное применение цифровой обработки, должна быть широкая исходная полоса частот, которая, в свою очередь, достигается за счет использования аналоговых инженерных решений высокого уровня. При этом, несмотря на все преимущества от использования цифровой коррекции амплитудно- и фазочастотных характеристик, имеются ситуации, когда может потребоваться отключение данной функции. Именно возможность отключения схем цифровой обработки сигналов является уникальным преимуществом осциллографов Tektronix серии TDS6000.

 Аннотация

В статье освещены вопросы применения коррекции характеристик цифровых запоминающих осциллографов с использованием DSP.

Магазин Gtest® - авторизованный поставщик осциллографов в Украину: https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/ostcillografy