1.考慮測量帶寬的高速串行數據

在測量高速串行數據信號和設備時，無論是為了合規性、設計還是為了故障排除，測量帶寬都是一個重要的考慮因素。相對于信號的頻率成分，測量示波器可以有一個或大或小的帶寬。特定標準的正確帶寬是多少?與最近的標準相比，這種關系發生了什么變化?

在這里，我們將回顧規定測量帶寬的原理，以及該原理是如何隨著最新標準而演變的。

高速串行數據信號的基本光譜特性(圖1)顯示了信號奇諧波時的特征能量裂紋。基準(1次諧波)在fBaud的1/2，其中fBaud是數值等于信號符號速率的頻率，例如，對于53GBd的信號，fBaud為53 GHz;奈奎斯特頻率fNyquist為53 GHz的1/2。

被測裝置或DUT(藍色)的信號明顯快速地滾落，除了第二諧波之外沒有可見的可用能量。這是在10s的GBd信號中所希望的特性:遠遠超過fNyquist的高速能量對于信息的傳遞并不重要:無論如何，電通道將抑制它;此外，它可能引起額外的不良串擾。最后，恢復高度抑制的能量的嘗試會太吵，并且會產生比在必要的最小值之后不久滾動的接收機設計更高的錯誤率，即，奈奎斯特頻率。

相比之下，高速實驗室信號源(綠色)可能具有更高的能量瓣。然而這也是學術性的--這種電源設計過度，其產生的能量會超過典型的DUT發射機(Tx)，除非使用極高速的連接器和電纜，否則其能量甚至不會傳播到DUT。

圖一。幅度調制信號的基本光譜特性;還顯示了帶寬與fNyquisti.e匹配的貝塞爾-湯姆森4階過濾器(紅色)的響應，0.5*f波特用于PAM 4參考過濾器。

如前所述，BERT信號(圖1中的綠色跡線例子)在其豐富的高頻率能量上是過去奈奎斯特頻率的許多倍。但既然能量在那里，我們需要測量它嗎?

隨著時間的推移，各種標準一直在努力解決這個問題，并建立了推薦正確帶寬的規則。作為示例，我們將使用IEEE 802.3有線/基于光纖的信令來討論這一點高速電氣IEEE802.3標準中所需測量帶寬的開發情況如圖2和圖3所示;請注意時間范圍(年)是近似值。

比較清楚地表明，測量帶寬隨著時間的推移而減少:為什么?

與過去的NRZ(PAM2NRZ)信號相比，如今的電信號(從Tx到Receiver或Rx)受介質(信號傳播的有損信道)的帶寬限制更大。注意，在PAM4信號中，眼睛的大小只占整個振幅擺動的1/3。

同樣有趣的是，在光學信令中，相對于電介質，測量帶寬在過去幾年中一直明顯地慢。讓我們看看為什么。

2.測量帶寬隨時間推移而減少的原因

在較舊的、較簡單的系統中，來自發射機的信號在信道中不會受到很大的損耗。接收器可以直接或僅通過光均衡來恢復合理睜開的眼睛。見圖4。

相比之下，復雜的系統運行在較高的信道損耗超過f/fBaud正在恢復一個超出Nyquist頻率的非常小的信號;需要付出很大的努力，如果沒有大量的RF增益，眼睛通常是不會睜開的。然而，一個大的射頻增益意味著麻煩的形式的噪聲放大-和噪聲導致傳輸錯誤。

由于較復雜的傳輸系統(圖5)必須執行復雜均衡，即具有更大增益的均衡，該系統還必須濾除在高頻(即尼奎斯特以上頻率)中發現的大部分噪聲。當傳輸信道是高損耗時，這種快速的帶寬限制提高了噪聲性能。

3.DUT接收機帶寬與測量帶寬的關系

測量帶寬的指導思想是測量只能觀察比DUT接收器稍大的光譜窗口。

在過去使用的較簡單的系統中，這經常被五次諧波規則所暗示。在當今更為復雜的系統中，凡(如上圖所示)該信道表現出很大的損耗(作為f/fBaud的一小部分)，DUTRx必須通過更劇烈的滾動來嚴重限制高頻噪聲。在測量系統中，這將通過降低測量帶寬(例如降至第3諧波范圍)來稍微近似。

3.1.四階貝塞爾-湯姆遜系統的作用

另一個考慮因素是，由于最新的系統(例如PAM4)使用高度噪聲限制的數據恢復，因此測量設備的滾動不將偽裝物呈現到信號的時域視圖中是至關重要的。因此，內置于示波器的低通濾波器必須在時域上沒有振鈴或大的過沖。出于這個原因，四階貝塞爾-湯姆遜濾波器是強制性的標準。這是針對平滑相位響應和平滑電壓轉換而優化的濾波器設計。除了指定濾波器外，標準還規定必須遵循該濾波器超過-3dB點，即，如果指定40 GHz貝塞爾-湯姆遜4階濾波器，并不意味著40 GHz DUT示波器是可用的;事實上，即使50 GHz示波器也不會對標準提出抱怨，因為有益的貝塞爾-湯姆遜滾動將過早地被截斷。

參見圖1，紅色軌跡，用于匹配信號信令速率的貝塞爾-湯姆遜4階濾波器(在fNyquist時為-3dB，與典型的PAM4標準相似)。觀察信號折射與紅線貝塞爾-湯姆森4濾波器共同作用后剩余的能量有多少。

這對今天的標準意味著什么?

4.2021/2022年最快標準

電氣標準。預計IEEE802.3ck將于2021年完成最快的實用電氣標準之一，數據吞吐量為每通道100 GB/s，并推出400GBASE-CR4或400 GBASE-KR4或400GAUI-4等變體，最終批準可能在2022年中期。這些標準的信令符號率為53.125GBd，因此信號的奈奎斯特頻率為25.5625 GHz。

預計該標準將強制要求示波器測量帶寬為40GHz帶寬(即-3dB)貝塞爾-湯姆遜濾波器的4階控制滾降結束在55GHz左右。這種采集速度將足以捕獲大部分信號及其潛在的保真問題，同時不會用超出DUT接收器所實現的帶寬的過剩帶寬損害被測信號的信噪比。

OIF-CEI標準使用相同的概念，但使用略有不同的過濾器。我們將在以后的文章中討論。

光學標準。使用PAM4信令(又稱光學直接檢測PAM4NRZ)測量光信號已經建立幾年了，作為IEEE 802.3bs在400GBASE-DR4標準背后的努力的一部分。在光信令中，對接收機帶寬的考慮不同于例如IEEE802.3ck中存在的對電信令的考慮。在53GBd時，單模光纖中的光信號經歷相對較小的帶寬折射(相對于電通道)，因此均衡過程更簡單，并且在短鏈路上反射的影響較小，因此光接收機不會受到這種反射的嚴重影響。由于這些鏈路特性，光學標準規定的測量帶寬僅為0.5*fBaud，即在接收器電側測量的Nyquist頻率。

這是一種貝塞爾-湯姆森濾波器，其帶寬為26.5625GHz，可接收53GBd信號;在典型的單模系統中，可控卷曲的末端剛過60 GHz。

為什么在光學標準中會有電帶寬和光帶寬的差異?光接收機中的光電轉換正交干光和電側之間的功率關系;因此，光帶寬不同于電帶寬，即更高。(帶寬是全冪的幾分之一;典型O/E的平方定律改變了這個比率。)光帶寬不用于指定貝塞爾-湯姆森濾波器和尼奎斯特頻率之間的關系。

在某些情況下，強調光學鏈路是為了在電子領域“不惜任何代價”提供能力(例如，非常昂貴的鏈路，如大陸之間的海底鏈路)。然后，整個設計(包括信號滾動)主要由對頻譜效率以及發射器能量和測量工具的更銳利滾動的關注所主導。

結論

在較高速度標準下，高速串行數據系統中用于測量的帶寬(作為符號速率的一小部分)比過去在較不均衡標準下要低。這一發展只是確認了鏈接設計者今天必須做出的設計權衡。進行測量的帶寬約為0.5*fBaud，在大多數標準中以時域友好的方式推出四階貝塞爾-湯姆遜濾波器。未來可能會有一個稍微快一點的推出。

審核編輯 黃宇