ВИКОРИСТАННЯ DSP ДЛЯ ПОКРАЩЕННЯ ШВИДКОДІЇ

В ідеалі вимірювальне обладнання повинно мати імпульсні характеристики (зокрема час наростання перехідної характеристики) значно кращі, ніж у досліджуваного пристрою. При роботі над системами з послідовним інтерфейсом останнього покоління, що мають час наростання імпульсу близько 30 пс (від 20% до 80% від значення), виконати подібну вимогу стає дуже важко. Для вирішення цієї проблеми більшість сучасних цифрових осцилографів використовують цифрову обробку сигналу. При цьому застосовують нові методи обробки - нормалізація, згладжування амплітуди, фазова корекція або рекомбінаційна обробка сигналу. У статті розглядаються випадки, коли ці методи використовуються найвигідніше.

Поліпшення АЧХ

В ідеалі АЧХ осцилограф має бути плоскою на всіх частотах починаючи з постійного струму і до найбільшої робочої частоти, а потім мати плавний спад. Вихідна АЧХ аналогової частини, показана на рисунку 1 червоною лінією, відповідає цим вимогам в діапазоні частот до 12 ГГц. Оскільки вихідна АЧХ залежить від роботи DSP, на частотах до 12 ГГц можна використовувати будь-які частоти вибірки, а чи не лише 40 Готсч/с, тобто. максимально можливі для цього осцилографа. Однак сплощення АЧХ і фазова корекція за допомогою DSP, результат роботи якого показані на тому ж малюнку синьою лінією, забезпечують кілька переваг щодо реальних високочастотних сигналів.

Рисунок 1 - Вихідна та скоригована АЧХ осцилографа Tektronix TDS6154C

Максимальна робоча частота осцилографа

Щоб проаналізувати придатність осцилографа для дослідження високошвидкісних сигналів, Говард Джонсон використовує поняття частоти зрізу, яку визначає як частоту, нижче за яку сконцентрована основна енергія імпульсу. Відповідно, необхідну смугу пропускання осцилографа можна обчислити за такою формулою:

F_max = 0,5/T_н, (1)

де Tr - час наростання імпульсу від 10 до 90% від значення, що встановилося. Осцилограф із плоскою АЧХ та лінійною ФЧХ відображатиме імпульси з часом наростання Tr без спотворень. З цієї формули слід, що осцилограф зі смугою 15 ГГц буде здатний точно відобразити імпульс з часом наростання 33 пс. Оскільки такі небажані ефекти, як викиди і дзвін, виникають лише за малих тривалостей фронтів імпульсів, деякі вважають припустимим затягування фронтів період до 35% від періоду імпульсу і навіть більше. Дані у двійковому форматі NRZ (без повернення до нуля) зі швидкістю передачі 6,25 Гбіт/с будуть у цьому випадку мати час наростання 56 пс. Згідно з формулою (1), це відповідає смузі пропускання осцилографа 9 ГГц. Якщо час наростання гарантовано не перевищує 56 пс, осцилограф із плоскою АЧХ та лінійною ФЧХ зможе без спотворень здійснити захоплення сигналу без спотворень.

Послідовні інтерфейси працюють у широкому діапазоні швидкостей передачі. Недоцільно використовувати кожної швидкості передачі даних свій тип драйвера лінії зв'язку. Наприклад, драйвер, який використовується для передачі даних зі швидкістю 8,5 Гбіт/с, можна використовувати для передачі даних зі швидкістю 5 Гбіт/с. У процесі оновлення обладнання, навіть за збереження швидкості передачі даних, час наростання може значно зменшитися. В результаті мінімальний час наростання може бути значно меншим, ніж 35% від тривалості імпульсу. Наприклад, для модуля пам'яті FB-DIMM при швидкості передачі даних 3,2 Гбіт/с мінімальний час наростання становить лише 30 пс, або 15% тривалості імпульсу. При дослідженні подібних сигналів осцилограф повинен мати значно ширшу смугу частот, ніж можна було б припустити, для забезпечення достовірності вимірювань.

Рисунок 2 - Невідфільтрований сигнал Avantest BERT. На перехідній характеристиці осцилографа зі смугою 12 ГГц помітні викиди та відсутність затягування фронтів при сигналі з часом наростання 25 пс

На рисунку 2 наведена осцилограма сигналу передачі зі швидкістю 6,25 Гбіт/с з часом наростання 25 пс (з 20 до 80%), що відповідає 33 пс при переході від 10 до 90%. 33 пс відповідають 21% тривалості імпульсу. Згідно з формулою (1) осцилограф для дослідження таких сигналів повинен мати плоску АЧХ та лінійну ФЧХ у діапазоні частот до 15 ГГц. Таким чином, осцилограф з характеристиками, наведеними на рисунку 1, не підходить для цієї мети.

Рисунок 3 - Розширення смуги пропускання до 15 ГГц за рахунок включення корекції дає мінімальні викиди та затягування фронтів навіть за часу наростання 25 пс (від 20 до 80%)

Однак, якщо розширити частотний діапазон приладу за рахунок обробки сигналу, стане можливим використання цього осцилографа для точних вимірювань навіть при мінімальних значеннях часу наростання фронтів імпульсів. В даному випадку покращення досягається за рахунок збільшення амплітуди сигналів з частотою менше 17 ГГц і одночасного зменшення її на частотах вище 17 ГГц, як показано на рисунку 1. За рахунок точної корекції амплітудно-і фазочастотних характеристик вдається уникнути перерегулювання та дзвону без затягування фронтів навіть за їх тривалість 25 пс при прямому захопленні вихідного сигналу Avantest BERT без додаткової фільтрації.

Методи покращення характеристик осцилографа Tektronix TDS6154C

Метод покращення характеристик осцилографів серії TDS6000C базується на використанні фірмової технології фільтрації FIR. Цей метод вимагає ретельного калібрування у процесі виготовлення приладу. Обчислення коефіцієнтів у процесі калібрування ґрунтується на вимірі відгуку осцилографа окремо для кожного каналу та кожного положення атенюатора. Ці коефіцієнти використовуються для корекції частотних характеристик у процесі осцилографа. Результатом корекції, відомої як вирівнювання каналів, стає майже точний збіг амплітудних і фазових характеристик всіх каналів вимірювання, причому в процесі роботи користувач може при необхідності відключити цю корекцію.

Коли виправдано ввімкнення режиму корекції

Якщо спектр сигналу укладено в межах максимальних робочих частот осцилографа, включення режиму корекції дає такі переваги без небажаних побічних ефектів:

режим корекції дозволяє отримати більш точно відкалібрований по амплітуді відгук разом з лінійним фазовим зсувом;
режим корекції дозволяє більш точно порівнювати сигнали в різних каналах, так як кожен канал калібрується окремо для досягнення максимальної близькості частотних і фазових характеристик;
режим корекції дозволяє отримати точніші зображення форми сигналів, що добре видно на малюнку 3, відповідному сигналу з часом наростання більше 42 пс;
режим корекції дозволяє зменшити тремтіння, зумовлене обмеженою смугою пропускання (т.зв. міжсимвольну інтерференцію);
цей режим дозволяє поліпшити вимірювання частотного діапазону (спектральний аналіз), оскільки вихідні дані швидкого перетворення Фур'є виявляються точнішими.

Коли не слід використовувати режим корекції смуги частот або інші типи обробки сигналів

Цілком природним є питання про те, в яких випадках застосування цифрової обробки сигналів може негативно вплинути на процес вимірювань. Існує кілька випадків, у яких може бути бажаним вимкнення режиму корекції.

Якщо користувач використовує власний алгоритм обробки.
Якщо використовуються "просунуті" режими осцилографа, наприклад, перерегулювання вхідних каскадів для "розтягування" частини сигналу на весь екран або комбінування двох або більше каналів для розширення динамічного діапазону. У таких режимах коригування за рахунок цифрової обробки сигналу буде неточним.
При використанні частотного чергування каналів для перекриття необхідної лінії частот слід пам'ятати, що перевантаження одного або декількох каналів не завжди враховується в процесі обробки. Для фіксації факту навантаження каналу користувач може вимкнути рекомбінаційну обробку сигналів.
Якщо апаратні функції несумісні з деякими видами цифрової обробки сигналів, користувач, можливо, повністю відключить таку обробку.

Висновок

Ретельно опрацьовані методи цифрової корекції можуть розширити можливості користувача під час проведення високочастотних вимірів. При цьому основою, на якій базується успішне застосування цифрової обробки, повинна бути широка вихідна смуга частот, яка, у свою чергу, досягається за рахунок використання аналогових інженерних рішень високого рівня. При цьому, незважаючи на всі переваги від використання цифрової корекції амплітудно-і фазочастотних характеристик, є ситуації, коли може знадобитися відключення цієї функції. Саме можливість відключення схем цифрового оброблення сигналів є унікальною перевагою осцилографів Tektronix серії TDS6000.

Анотація

У статті висвітлено питання застосування корекції характеристик цифрових осцилографів, що запам'ятовують, з використанням DSP.

Магазин Gtest® - авторизований постачальник осцилографів в Україну: https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/ostcillografy