AWG在高速串行信号接收性能测试中的应用（一）

以前，客户只关心Transmitter的测试，但现在越来越多的客户开始关心Receiver的测试，Transmitter的测试非常简单，只要一台示波器就可以了，其测试主要是评估系统发送信号的质量。Receiver的测试相对复杂，其评估的是系统接受的容限，系统能够正确接收越差的信号，表示其接收性能越好，除了示波器外还需要一台或者数台信号源，该信号源不只是简单输出一个标准信号，而是需要在标准信号的基础上注入各种干扰或者抖动成分，并且这些干扰和抖动成分都必须精确量化，才能判断系统或者芯片的Receiver的性能。
 
现在在各个高速串行的标准测试里面，泰克无一例外都是推荐AWG（任意波形发生器）作为信号源的，很多客户看了AWG的性能指标后都觉得很意外，AWG的性能指标并不是很高，比如说抖动，输出信号的速率等等，为什么会使用其作为高速信号源呢？其实AWG是一台性能满足但功能极其强大的信号源，顾名思义，任意波形发生器，它可以模拟自然界的任何信号，弱至喃喃细语，风吹草动，强至飓风地震，山崩地裂。各种自然环境变化中产生的规则或者不规则的信号都能通过它来模拟，如果你知道规则的话，可以用数学函数的公示表达来生成，如果你不知道规则，你可以用示波器捕获信号然后通过AWG来生成。我们成都有位AWG的专家田公子就曾经用AWG生成自己的名字显示在示波器上，我也听说过某个高等佛学院用AWG产生出一个莲花宝座显示在大堂的屏幕上。听起来好像神乎其神！
 
很多客户都将AWG和其他公司的BERT的性能进行比较，我现在也根据他们的工作原理，性能指标和应用特性进行一些分析比较，仅供大家参考。
 
一  工作原理：
       AWG称为任意波形发生器，采用直接数字合成的方式产生信号，既可以合成数字信号，又可以合成模拟信号和带调制的射频信号，任意形状的波形只要在采样率和带宽允许的情况下都可以下载到仪器中，进行数字合成后再输出，波形定义的方法可以采用公式编辑，泰克软件编辑，甚至手动描绘的方式。其能够将噪声，抖动，衰减，预加重，畸变等等波形特性都在合成过程中一次性的注入波形中，而且能够将不同信号特性的波形依次无缝输出，中间没有任何的时间间隔。
Bert 是纯粹的数字信号源，只能产生数字信号，其是通过改变参考时钟的特性，来改变输出信号的频率和抖动，对于抖动注入的特性，只能支持简单的正弦PJ（周期抖动）,ISI（码间干扰）等，无法支持复杂的抖动类型，类如三角波抖动，不规则抖动，也不能支持预加重，特定的波形畸变，如果需要支持特别的抖动和信号畸变，都必须通过外部的设备或者器件通过硬件合成来实现。
 
二 主要性能指标:

	上升时间	最高输出带宽	Tj	Rj	最高输出信号速率
AWG7122B	75ps	9.6GHz	30ps(10^12)	0.9ps	10Gbps
E4***A-037	75ps	未定义	30ps	未定义	3.4Gbps
E4***A-007	20ps	未定义	9ps		7Gbps
N4***B-C07	20ps	未定义	9ps		7Gbps
N4***B-C13	20ps	未定义	9ps		12.5Gbps

 
       在BERT的抖动规格定义中，仅仅定义了PK-PK的抖动，而未定义基于的比特数量，所以不是非常客观的参数，随着样本数量的增加，抖动会加大，泰克是明确定义了基于10^12的样本数量下的总体抖动值。AWG7122B的worst case的抖动值远远能满足当前所有的高速串行标准的要求，请参考下面常用的串行标准所要求注入的最小抖动值。(下面所有指标均从相关规范可以查到)

USB 3.0  5Gbps	65ps	SATA 6Gbps	82.67ps
HDMI 3.4Gbps	101ps	Displayport 2.7Gbps	179ps

 
 
三：传统的数字信号源如何对串行信号的特性进行模拟。
       1. 一般的数字信号源能够对比较单一的规律性变化的数字信号进行模拟，如信号中含有随机噪声，或者信号的抖动以单一的正弦规律或者三角波规律变化的情况。可以用下图方法在信号中使用多个仪器混合注入不同特性的抖动和噪声实现。
 

 
使用数字信号源对规律变化的串行信号进行模拟的方法

 
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       2. 对于串行信号标准中常用的“去加重”特性的实现，数字信号源则需要使用多通道以及Power combiner器件进行复杂的连接来实现，而且要精确控制多个通道的相位关系，否则得到的信号会与预期大相径庭，原理如下图7，将CH1相对于CH2延迟一个比特位(UI),然后将两个通道相减，就可以得到下图去加重的信号。
 

 

 
图7 数字信号源实现“去加重”特性信号的方法

 
 
 
 
四：使用直接数字合成原理的AWG(任意波形发生器)如何对串行信号进行模拟。
       直接合成是一种基于采样的技术。直接合成信号源或称为任意波形发生器(AWG)则从样点中创建模拟波形，在带宽和采样率能达到的范围内，AWG存储器中的样点基本上可以定义任何波形，这些样点可以从示波器采集的实际波形中获得，也可以采用公式或者算法去任意定义。现在最新的AWG7102能支持高达20 GS/s的采样率，拥有多个输出和充足的存储容量，可以支持长码型序列。
 
       直接合成信号源除了能够合成含任何抖动规律或者噪声的信号，建立随机抖动和确定性抖动的影响模型,以定量方式和定性方式改变施加的效应外，还能模拟信号在传输时由于特定介质的不同特性导致的衰减，反射，串扰等信号的畸变。而且不需要使用复杂的外部设备去注入抖动或者噪声，所有的信号特性都在仪器的处理器和存储器中合成，所以连接非常简便，同时可以减少仪器之间互联可能引起的错误或者不确定性。
 

 

直接数字合成信号源对串行信号的模拟方法

 
 
 
       对于合成信号的速率，抖动的注入的频率和幅度，噪声的幅度以及信号的上升时间，均可以通过泰克的Serial Express软件方便快捷的进行定义，并可以实时模拟实现效果。也可以调入通道的S参数模拟信号经过相应的通道传输后的效果。
 



图9 使用Serial Express软件对串行信号特性进行定义

 
 
     对于去加重信号的直接合成方法完全不同于数字信号源，但得到的结果确完全相同。AWG存储的信号已经包含“去加重”特性，因此不需要生成及外部组合两条数据流，以得到合成信号。如下图单一通道的输出就可以实现。而且“去加重”的比例如-3.5dB,-6dB等可以根据需要任意的调节。

 

图10 直接数字合成信号源对串行信号的“去加重”特性的模拟方法