带宽

我们已经承认带宽是一个关键性能问题，可是怎样知道自己需要多少带宽？本文将仅限于讨论采用嵌入式时钟的数字串行NRZ数据信号。
在位速率一定时，1-0-1-0交替模式会产生一个频率等于位速率一半的方波。尽管数据频谱要更加复杂，但方波为进行分析提供了很好的参考点，因为它代表着数据流中速度最快的开关。各种数据速率的频率成分如表I所示。第3栏和第4栏表示这一基础方波的第3个和第5个谐波频率。为什么频率成分非常重要？如果示波器改变信号的频谱，那么观察到的波形将不是输入的确切复制品。在更高的频谱成分滚降时，重要的特点(如上升时间和下降时间)将减慢，过冲和振铃将受到抑制。

表1：串行数据信号的数据速率和频率成分（略）

黄色阴影部分的项目表示当前实时示波器的带宽能够涵盖的部分。
决定带宽的另一个重要指标是要求精确测量上升时间和下降时间。图1和图2比较了50-GHz 带宽的顺序取样示波器及12-GHz 带宽的实时示波器上测量的下降时间。对46-ps的下降时间，两者的一致程度非常好，但实时示波器对15-ps的下降时间误差非常大。所以对任何示波器而言，要衡量的指标是示波器的上升时间，而不是信号上升时间。

图1 50G-Hz顺序取样示波测量的下降时间（略）

图2 12-GHz带宽的实时示波器测量的下降时间(略)

当前的实时示波器可以以小于 5%的误差测量40 ps的上升时间和下降时间。如果需要测量更快的上升时间和下降时间，就需要使用顺序取样示波器。

如果示波器没有足够的带宽跟踪信号的上升沿和下降沿，就会在眼图测量中由眼图闭合体现出来。图3和图4比较了50-GHz顺序取样示波器和12-GHz 实时示波器上对各种数据速率看到的眼图。在13.5 Gb/s时，眼图在12-GHz 实时示波器上折叠成正弦波。如果上升沿和下降沿上有振铃或过冲问题，在50-GHz 示波器上可以清楚地看到这些问题，但在12-Ghz 示波器上则不能清楚地查看问题。

表2：以特定精度测量上升时间和下降时间所需的带宽（略）

值得一提的是，在光学收发机一致性测量中，示波器带宽人为降低到数据速率75%的3 dB 带宽。高阶谐波几乎被完全抑制。尽管这在初期似乎是一种有问题的性能检验方法，但测试的目的是确定发射机能否在通信系统中运行，由于系统接收将不会有非常宽的带宽，因此测试发射机最好以类似的方式进行。如果想知道激光器之外的原始性能，那么可以提高带宽重新测试。

有哪些任务?

在高校教学中，学到的第一件事是根据手边的工作选择适当的工具。而在信号测量中，第一步是问问自己用示波器想做什么，下一个问题是“哪些任务最为关键？”

测量信号完整性(上升时间和下降时间, 失真, 噪声)

如果最重要的要求是检验上升时间和下降时间、传播时延和畸变，包括过冲、振铃和反射，那么带宽是示波器中影响测量的主导因素。最好一直有超额带宽(直到一定程度)。但在示波器带宽与信号频率成分之比超过10倍时，超额带宽不会再带来任何额外的好处。

噪声和可以测量信号的电压精度在信号完整性检定中也非常重要。顺序取样示波器的典型本底噪声约为250 uV RMS，12-GHz实时示波器的典型本底噪声则为350 uV RMS。顺序取样示波器一般拥有9位分辨率，通过使用平均功能，在重复信号上分辨率可以提高到15+位。实时示波器一般拥有8位分辨率，通过使用平均功能，这一分辨率可以提高到12位。所以在测量小信号或考察细微的波形异常时，取样示波器更低的噪声和更高的取样精度会大有帮助。

测量抖动

这两种示波器都提供了抖动测量软件。额外的测量功能有助于考察抖动特点及其根本原因，影响波形分析精度和抖动分析精度的因素。带宽不足以及相对于被测信号噪声过高都会降低抖动测量精度。如果要求分析周期间抖动，只有实时示波器能够测量，因为这一测量要求实时捕获连续周期。

过去，使用取样示波器很难评估由于码间干扰(ISI)导致的抖动。但是，安捷伦顺序取样示波器采取新的结构，可以把随机抖动与确定性抖动分开，并把确定性抖动进一步划分为ISI、占空比相关抖动和周期抖动成分。这一操作要求重复模式，而实时示波器则可以测量随机数据上的抖动。取样示波器的高分辨率和宽带宽无可争议地使其成为详细分析抖动成分中最精确的方法。

实时示波器拥有在时间上与捕获的波形实时相关的显示抖动趋势的诊断优势，这可以有效查看数据相关抖动的成因。

检验逻辑操作或数据成分和信号完整性问题之间的关系

某些带有串行数据分析软件的实时示波器可以解码串行数据，显示8b/10b编码数据。还可以搜索最多由4个符号组成的指定序列及触发同一序列。例如，如果信号完整性问题后面经常跟有一个逗号，通过观察注意其后面是否跟有逗号。示波器可以搜索逗号的所有实例，检查粘滞值。下一步可以让示波器触发采集逗号，进一步检验粘滞值。

一致性测试

串行数据行业标准，包括PCI Express和SATA，要求采用标准程序测量抖动和眼图张开程度。这两种标准及其它标准要求实时示波器顺序捕获指定数量的单位间隔，然后在软件中恢复时钟。很明显，运行这些一致性测试要求实时示波器。

采用光纤进行高速传输要求具有光学前端的示波器。其严格指定光接口到电接口转换器的带宽，并且对一定的数据速率是唯一的。通过取样示波器或通过实时示波器都可以实现这一点。但是，业内的发展趋势是拥有以各种数据速率运行的发射机或网络设备，其速率一般为10 Gb/s速率。取样示波器实现了完整的覆盖范围。类似的要求可以适用于通信设备上的电子端口。

另外还需检查示波器制造商的资料，保证其为处理的标准提供一致性测试或模板测试软件。


两种技术比较

在实时取样示波器中，每次触发时将采集信号的所有样点。取样之间的间隔取决于示波器的取样速率。取样速率必需是示波器带宽的几倍，以避免出现假信号，捕获信号中的所有信息。

表2：实时示波器与顺序取样示波器参数比较（略）

顺序取样示波器在每个触发事件上捕获一个样点。在每个连续触发上，取样的时点将会推进。波形记录在多个连续触发中累积。最大取样速率低于1 MHz。

总结

决定使用实时示波器还是等时“取样”示波器不再象过去那样简单。仅仅根据测量带宽制订决策会在选择中漏掉许多微秒的利害关系。如果在预算允许下决策应基于哪些任务最重要、哪部示波器能够最有效地执行这些任务来选择测量工具。