【技術(shù)文章】基于誤碼儀的數(shù)字信號(hào)分析

傳統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)的數(shù)據(jù)傳輸是由0電平和1電平交替出現(xiàn)，通過傳輸介質(zhì)進(jìn)行信息的傳輸。由于數(shù)字化世界推進(jìn)很快，信息的傳輸需求量急劇增長(zhǎng)，必須通過提升數(shù)據(jù)的傳輸速率和調(diào)制階數(shù)來滿足越來越多信息的傳輸需求。NRZ信號(hào)的速率越來越高，PAM4調(diào)制的數(shù)字信號(hào)也成為一個(gè)主流應(yīng)用。

數(shù)字信號(hào)在時(shí)域和頻域的的表現(xiàn)

NRZ編碼在一個(gè)比特周期內(nèi)電平恒定，沒有變化（不會(huì)回到0電平）。正電平代表一個(gè)二進(jìn)制數(shù)，負(fù)電平代表一個(gè)二進(jìn)制數(shù)。通過安立MP2110A采樣示波器觀察其時(shí)域（眼圖），我們可以看到NRZ信號(hào)有兩個(gè)不同的電平值。如下圖：

圖1   MP2110A顯示NRZ信號(hào)眼圖（25.78125Gbit/s）

前面觀測(cè)了數(shù)字信號(hào)的時(shí)域表現(xiàn)形式，現(xiàn)在我們通過結(jié)合安立公司的誤碼儀MP1800A和頻譜分析儀MS2090A觀測(cè)數(shù)字信號(hào)的頻域成分。

圖3 數(shù)字信號(hào)頻域分析測(cè)試（MP1800A+MS2090A）

首先我們通過MP1800A發(fā)送速率為10Gbit/s，圖案類型為01的碼型。將MP1800A輸出的數(shù)字信號(hào)直接接到MS2090A頻譜分析儀的輸入口。設(shè)置MS2090A的中心頻率為10GHz，帶寬為20GHz。觀測(cè)到的數(shù)字信號(hào)的頻譜成分如圖4。

圖4 NRZ信號(hào)的頻譜成分（速率10Gbit/s，圖案01循環(huán)）

圖5 NRZ信號(hào)的頻譜成分（速率10Gbit/s，碼型圖案PRBS9）

通過圖5，我們可以看到兩個(gè)頻譜分量段，0到10GHz和10GHz到20GHz。同時(shí)0到10GHz的頻譜的功率大于10GHz到20GHz頻譜段的功率。如果我們把頻譜儀帶寬設(shè)置更高，我們將看到20GHz到30GHz的頻譜段，一直可以往后延續(xù)，同時(shí)功率也是逐漸變下。

通過圖4和圖5我們發(fā)現(xiàn)NRZ信號(hào)包括很多的頻譜成分，大部分的頻譜能量都在直流到數(shù)字信號(hào)一半速率的頻帶內(nèi)，因此在電路設(shè)計(jì)中，如果在成本和技術(shù)受限的情況下，模擬帶寬會(huì)剛好設(shè)計(jì)比二分之一速率大一些。但是如果數(shù)字信號(hào)系統(tǒng)的帶寬越高，將包括更多的頻率成分，信號(hào)將更完整。

誤碼儀通過發(fā)射端（脈沖發(fā)生器）發(fā)送特定編碼的數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)經(jīng)過被測(cè)試的系統(tǒng)后輸入到誤碼儀的接收端（誤碼檢測(cè)器），誤碼儀接收端通過對(duì)比接收到的信號(hào)和誤碼儀發(fā)送端輸出信號(hào)的差異，計(jì)算出誤碼率。用誤碼率的大小來判斷被測(cè)試系統(tǒng)的性能好壞。圖6以測(cè)試serdes芯片的誤碼儀工作連接圖。

圖6 誤碼儀測(cè)試連接框圖

數(shù)字信號(hào)在通信系統(tǒng)中傳輸時(shí)，由上文可以知道，數(shù)字信號(hào)中包括很多的頻譜成分。因此通信系統(tǒng)帶寬或者阻抗不匹配引入插入損耗和回波損耗，會(huì)使通信系統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)變差，造成信號(hào)傳輸?shù)腻e(cuò)誤。如下為安立ISI 損耗板J1758A及S21曲線。

圖 7 ISI 損耗板J1758A（a）

圖 7 J1758A的S21曲線（0-12.5GHz）（b）

圖7中黃色曲線為J1758A的S21曲線。設(shè)置速率為25Gbit/s的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過J1758A的變化如下圖8。

圖 8 理想方波數(shù)據(jù)（a）

圖 8 經(jīng)過J1758A的方波數(shù)據(jù)（b）

圖 9   MP1900A信號(hào)質(zhì)量分析儀

MP1900A的PPG（發(fā)端）加重補(bǔ)償通道損耗，使信號(hào)經(jīng)過傳輸鏈路后更接近理想方波信號(hào)。

假設(shè)1758A為被測(cè)系統(tǒng)的鏈路插入損耗，由上面我們理想數(shù)字信號(hào)通過J1758A后，數(shù)字信號(hào)質(zhì)量分析變差。我們可以通過加重先補(bǔ)償鏈路損耗，使通過鏈路后的信號(hào)更接近理想信號(hào)。在MP1900A上調(diào)節(jié)加重補(bǔ)償鏈路損耗如下圖10。

圖10 MP1900A 加重示意圖

通過MP1900A預(yù)先對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行加重，然后經(jīng)過J1758A后的信號(hào)接近方波信號(hào)。信號(hào)框圖如下圖11所示。

通過圖11，我們可以看到MP1900A通過預(yù)先的加重處理，保證了輸入到被測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)接近理想方波。準(zhǔn)確的驗(yàn)證被測(cè)系統(tǒng)的性能指標(biāo)。

同時(shí)我們也可以通過加重模擬較差數(shù)字信號(hào)，檢驗(yàn)被測(cè)系統(tǒng)受壓情況。安立MP1900A可以直接將損耗鏈路上的S參數(shù)通過誤碼儀channel功能直接導(dǎo)入,根據(jù)S參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)信號(hào)的加重，節(jié)約人工調(diào)節(jié)加重的時(shí)間。還可以通過MP1900A的ISI功能直接調(diào)節(jié)二分之一速率和四分之一速率處的頻點(diǎn)增益，直接模擬鏈路損耗。

由圖13可以看出，被測(cè)件輸出較差的PAM4數(shù)字信號(hào)，首先通過低頻均衡器，然后再經(jīng)過DFE均衡以后，再進(jìn)行誤碼檢測(cè)計(jì)算。通過均衡后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行誤碼檢測(cè)，會(huì)得到更低的誤碼率。

以上結(jié)合安立MP1900A 的PAM4板卡介紹了數(shù)字系統(tǒng)測(cè)試時(shí)發(fā)端和收端的對(duì)信號(hào)處理的流程和原理，主要是PPG通過加重，調(diào)節(jié)數(shù)字信號(hào)中各頻率分量的幅值和相位，使數(shù)字信號(hào)可以抵消傳輸鏈路上損耗對(duì)信號(hào)的影響。誤碼儀收端ED通過調(diào)節(jié)收到數(shù)字信號(hào)中各頻率分量的幅值和相位，彌補(bǔ)鏈路損耗對(duì)數(shù)字信號(hào)的影響，使被測(cè)系統(tǒng)的誤碼率更低。同時(shí)MP1900A的SI板卡，PPG支持10階加重，ED支持CTLE均衡功能，在高速接口中廣泛應(yīng)用。