述評SPARQ系列網(wǎng)絡(luò )分析儀之八：SPARQ 動(dòng)態(tài)范圍

動(dòng)態(tài)范圍

任何基于TDR測試設備的動(dòng)態(tài)范圍都可以通過(guò)下面這個(gè)公式計算：

此處：
•f：頻率(GHz)
•T：用來(lái)平均的整體時(shí)間
公式中的一些參數在SPARQ中的對應數據如下表：

SPARQ的1次采樣是250次/S硬件平均后的結果，包含3種模式：預覽模式（1次采樣平均）、正常模式（10次采樣平均）、增強模式（100次采樣平均）。

Note[2]：在公式2中，線(xiàn)纜損耗被當作外部線(xiàn)纜被忽略，這是由于線(xiàn)纜標準一般是用戶(hù)自定義，所以動(dòng)態(tài)范圍以設備端口的典型值來(lái)定義。

影響動(dòng)態(tài)范圍的因素

在動(dòng)態(tài)范圍公式[1] 中，有幾個(gè)影響較大的因素需要討論。第一當然是公認的一些因素。相對于頻率，動(dòng)態(tài)范圍會(huì )以20dB/每10階（或6dB/每8階）的程度下降，器件頻率變 化時(shí)需要注意動(dòng)態(tài)范圍下降的影響。如果整個(gè)波形被看做一個(gè)脈沖，則這個(gè)影響可以被忽略。它的影響可以被描述實(shí)際階躍響應的表達式P(f)抵消。

我們普遍的共識是，動(dòng)態(tài)范圍強烈依賴(lài)于步進(jìn)大小。每次步進(jìn)幅度的倍增會(huì )讓動(dòng)態(tài)范圍以6dB的大小上升，盡管高頻成份在P(f)被描述（但是并不涉及脈沖發(fā)生器和采樣器反應的不同之處）。

動(dòng)態(tài)范圍與隨機噪聲、線(xiàn)纜和夾具的損耗成正比關(guān)系，但是可以通過(guò)高采樣率來(lái)補償。實(shí)際采樣率(或者說(shuō)一次采樣等待時(shí)間減小)的倍增會(huì )使動(dòng)態(tài)范圍以3dB的幅度上升（采樣率10倍增使動(dòng)態(tài)范圍以10dB的幅度增加）。

在公式中，分母部分的表明，捕獲時(shí)間的長(cháng)度會(huì )對動(dòng)態(tài)范圍有比較大的影響。因為平方的原因使其對動(dòng)態(tài)范圍的影響是2 倍的關(guān)系。一個(gè)影響是噪聲會(huì )被引入采樣中。對于實(shí)際信號而言，測試捕獲的波形只是其中一部分，而噪聲則會(huì )影響到整個(gè)捕獲過(guò)程。隨著(zhù)捕獲時(shí)間的增加，信號中 噪聲的量級并不會(huì )增加。Frac說(shuō)明了去噪算法，提供了對采集區域限制也包含了信號對這種影響的抵消。第二個(gè)影響因素是均值。更長(cháng)的捕獲需要更長(cháng)時(shí)間的采 樣?，F在一些更復雜的考慮則并非公認的。首先是噪聲頻帶限制的影響（fbw）。很多情況下，在等時(shí)間采樣范圍內的噪聲是白噪聲。如果主要的噪聲來(lái)源于 ADC的量化影響，則以上表述就尤其正確。這就意味著(zhù)全部噪聲能量是符合乃奎斯特定律。這種情況下,fbw=且 忽略這些項目。這種狀況下，動(dòng)態(tài)范圍完全依賴(lài)于等時(shí)采樣率。這樣似乎與正常的想法不一樣，一般來(lái)說(shuō)增加采樣率會(huì )導致更多的噪聲以至于超出了感興趣的頻譜范 圍，但是這個(gè)影響是完全可以通過(guò)捕獲時(shí)間增加來(lái)消除，因此采樣數量的增加是能夠被平均的。當走線(xiàn)噪聲是在規范定義的帶寬限制內時(shí)（這也是大多數的情況）， 動(dòng)態(tài)范圍事實(shí)上可以通過(guò)來(lái)計算，當然看起來(lái)似乎是不合規律的，但你需要考慮到這個(gè)頻率限制是符合乃奎斯特定律的，同時(shí)捕獲不必要過(guò)采樣（當然這是理論上的，而不是實(shí)際上的運算考慮）。為了取得在限制帶寬和非限制對噪聲的影響，必須要使用這種調整來(lái)比較。

SPARQ動(dòng)態(tài)范圍技術(shù)

SPARQ設計中有幾個(gè)關(guān)鍵的影響動(dòng)態(tài)范圍的方面做了折衷考慮。讓SPARQ能夠同時(shí)滿(mǎn)足低成本和易用性，通過(guò)使用一個(gè)脈沖發(fā)生器和2個(gè)采樣器實(shí)現低成本 和易用性，原因是TDR發(fā)生器是主要的成本來(lái)源。而使用最小工作配置的脈沖發(fā)生器/采樣器也能夠與易用性相吻合。因為單一脈沖發(fā)生器和采樣器必須要能夠在 測試時(shí)與每一個(gè)SPARQ的端口相連接，這就需要一個(gè)高頻率的開(kāi)關(guān)裝置，這個(gè)開(kāi)關(guān)設備能夠將測試設備校準到內部的標準參考面而不需要多次的連接和斷開(kāi)的動(dòng) 作。這個(gè)內部校準能力可以實(shí)現更簡(jiǎn)單方便的操作。這個(gè)能力也是SPARQ動(dòng)態(tài)范圍較大的一個(gè)標簽，因為開(kāi)關(guān)系統增加了整個(gè)系統的損耗，更重要的是它增加了 長(cháng)度。

正如我們在動(dòng)態(tài)范圍公式中看到的，設備中內部脈沖發(fā)生器/采樣器和設備前面板端口之間路徑的損耗使動(dòng)態(tài)范圍減小了2次，因為信號必須要從脈沖發(fā)生器產(chǎn)生然 后到端口，中間經(jīng)過(guò)DUT，最后經(jīng)過(guò)端口返回采樣器。事實(shí)上，這個(gè)過(guò)程使SPARQ的動(dòng)態(tài)范圍下降了7dB。長(cháng)度是一個(gè)更大的因素，因為最終的捕獲長(cháng)度包 含了至少4次的系統增加的額外長(cháng)度。這將使SPARQ的動(dòng)態(tài)范圍下降13dB。所以，總共使動(dòng)態(tài)范圍下降了20dB左右。

如果設計僅僅到此，那么SPARQ就只是一個(gè)廉價(jià)的對實(shí)際測試沒(méi)有更大幫助的設備，但事實(shí)上SPARQ包含的很多技術(shù)指標不僅能有效糾正20dB動(dòng)態(tài)范圍的減小，同時(shí)也能夠提供比其他基于TDR方案的設備更高的動(dòng)態(tài)范圍。

第一個(gè)特點(diǎn)是脈沖發(fā)生器/采樣器的響應。大部分的TDR系統使用高幅值（250mV）但頻率成分比較少的脈沖。SPARQ使用相似幅度的脈沖，但其脈沖響 應卻能使40GHz時(shí)的動(dòng)態(tài)范圍上升12dB。事實(shí)上，這個(gè)脈沖發(fā)生器/采樣器的影響直到65GHz時(shí)才為0dB. 這個(gè)脈沖發(fā)生器/采樣器是非常高頻的。其他的都不能提供類(lèi)似的脈沖，因為SPARQ的脈沖看起來(lái)并不是非常漂亮—它有80%-100%的過(guò)沖—在傳統的以 視覺(jué)檢驗脈沖響應的TDR應用中顯的沒(méi)有什么吸引力。SPARQ的主要任務(wù)是提供S參數和校準時(shí)域響應，這些也是動(dòng)態(tài)范圍和精確度的需要—超越視覺(jué)吸引力 的真實(shí)脈沖?？傊?，通過(guò)非平坦脈沖能夠使動(dòng)態(tài)范圍提升12dB。

第二個(gè)特點(diǎn)是被力科專(zhuān)利保護的連續間隔采樣（CIS）。傳統的TDR系統是基于順序采樣，這種采樣方式速度慢且來(lái)自時(shí)基非線(xiàn)性影響也是不能忍受的。一些順 序采樣也可能帶來(lái)更多的錯誤。時(shí)基非線(xiàn)性不會(huì )對動(dòng)態(tài)范圍產(chǎn)生負面影響，但可能對精確度產(chǎn)生負面影響。力科的CIS能夠提供采樣時(shí)鐘，這個(gè)時(shí)鐘在使用 10MS/s采樣5MHz的重復TDR脈沖時(shí)產(chǎn)生輕微的偏移。這就允許更高的采樣率而不會(huì )有時(shí)基非線(xiàn)性的問(wèn)題。CIS不僅有更好的精確度，它也使建立和操 作硬件的快速平均更加簡(jiǎn)單。相對于其他順序采樣系統而言，采樣系統的速度提升能夠帶來(lái)12dB-18dB的動(dòng)態(tài)范圍提升。不幸的是，當采樣器的采樣率提升 時(shí)會(huì )帶來(lái)更大的噪聲，所以考慮到高采樣率下噪聲的增加，整體系統的動(dòng)態(tài)范圍只能提升6dB. 最后說(shuō)明的是，由于這個(gè)好處很大程度上依賴(lài)快速平均，所以設備本身的設計非常重要，要確保平均過(guò)程能夠真正提升動(dòng)態(tài)范圍。測試內容見(jiàn)附錄C effect of Averaging

最后一個(gè)特點(diǎn)是采用Wavelet denoising的數字信號處理技術(shù)來(lái)消除噪聲。這類(lèi)技術(shù)通常用于雷達、圖形處理、心電圖系統。這類(lèi)技術(shù)的影響很難被量化，但最簡(jiǎn)單的觀(guān)察它的影響的方 法是：這種去噪算法消除了在沒(méi)有反射時(shí)捕獲持續更長(cháng)時(shí)間時(shí)產(chǎn)生的噪聲。對于一個(gè)比較走線(xiàn)較短的設備，這種處理能增加約10dB的動(dòng)態(tài)范圍，對于走線(xiàn)較長(cháng)的 設備，動(dòng)態(tài)范圍的提升更大明顯。當設備端口間有更好的隔離時(shí)，wavejet denoising技術(shù)可以帶來(lái)遠大于10dB的動(dòng)態(tài)范圍提升。

以上3個(gè)技術(shù)特點(diǎn)，使SPARQ的動(dòng)態(tài)范圍可以提升26dB，這使的SPARQ的動(dòng)態(tài)范圍在消除為實(shí)現低成本和易用性而產(chǎn)生的20dB下降后，仍能提升6dB。這是噪聲的一半或者2倍的頻率，無(wú)論你想用那種方式。

SPARQ動(dòng)態(tài)范圍是量化的，下一節中有其參數與競爭儀器設備的比較。注意，可以從表中與競爭儀器設備數據的對比直接計算出最終的動(dòng)態(tài)范圍，而且計算結果可以看出無(wú)論是精確性還是最終的優(yōu)化都好于競爭儀器設備。

1．使用TEK DSA 8200采樣示波器和80E10 TDR模塊做40GHz測量的標準
2．使用Agilent 86100C采樣示波器+54754A TDR模塊+PSPL 4020 NLTS +86118A 采樣模塊做40GHz測量時(shí)的標準
3．階躍幅度250mV、150KS/s的實(shí)際采樣率，-50dB噪聲（帶寬限制為40GHz），在40GHz時(shí)0dB響應，沒(méi)有模塊在端口的損耗，50ns的捕獲長(cháng)度，40GHz頻率，10秒的捕獲平均，200GS/s等時(shí)間采樣率，結果會(huì )上升到25
4．注意因為所有的噪聲標準都是40GHz帶寬下的，所以采用80GS/s的采樣率。動(dòng)態(tài)范圍方程顯示了SNR增加與采樣率的關(guān)系而不是受帶寬限制后噪聲的影響。對于帶寬限制下的噪聲，設置采樣率實(shí)際上是2次帶寬限制。
5．使用45ns作為捕獲長(cháng)度，盡管標準是50ns，一半被用作邊沿位置。
6．盡管CIS是非?？斓?，但只有25%的采樣被使用，因為CIS需要200ns脈沖重復周期。CIS的其他優(yōu)勢是線(xiàn)性時(shí)基，但是這個(gè)有點(diǎn)在動(dòng)態(tài)范圍中不能被量化
7．在乃奎斯特定律下，100GHz時(shí)會(huì )有-46dBm的白噪聲，當帶寬限制到40GHz時(shí)，會(huì )有4dB的提升---測試驗證的數據
8．370uV的典型標準小于有效保證結果的470uV標準
9．標準規定50GHz帶寬限制時(shí)是700uV，所以當帶寬限制為40GHz有1dB的提升10．增益的提升是由SPARQ所發(fā)脈沖的過(guò)沖產(chǎn)生，實(shí)際的脈沖頻率響應在65GHz為0dB
11．規格書(shū)標明4020產(chǎn)生200mV階躍幅度等于輸入門(mén)限幅度
12．線(xiàn)纜和開(kāi)關(guān)的損耗減輕了內部校準的負擔
13．SPARQ 3.6ns的電信號長(cháng)度需要額外的14.4ns的捕獲。校準補償單元需要額外的捕獲長(cháng)度中的時(shí)間平均和噪聲
14．專(zhuān)利等待中，保守估計，10%的波形實(shí)際上包含反射
15．這個(gè)數據可以從tek的規格書(shū)中找到。Tek顯示40GHz時(shí)，250次平均得到45dB。這個(gè)平均是10秒的平均，（帶長(cháng)度credit），是210次平均能增加1dB
16．Agilent 顯示了32GHz 64次平均下為20dB。我們比較40次平均，但考慮到電信號模組到端口的長(cháng)度，我們比較56次平均。同過(guò)實(shí)際測量（40GHz時(shí)），這個(gè)數值會(huì )再下降 2dB，實(shí)際的動(dòng)態(tài)范圍為18dB。我們無(wú)法解釋這里的31dB與agilent標準所提供的18dB之間所出現的這種偏差。