SPARQ系列述評(píng)之八 ―― SPARQ 動(dòng)態(tài)范圍

作者：時(shí)間：2011-01-10 來源：網(wǎng)絡(luò)

加入技術(shù)交流群
- 掃碼加入
  和技術(shù)大咖面對(duì)面交流
  海量資料庫查詢

我們普遍的共識(shí)是，動(dòng)態(tài)范圍強(qiáng)烈依賴于步進(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(yīng)的不同之處）。

動(dòng)態(tài)范圍與隨機(jī)噪聲、線纜和夾具的損耗成正比關(guān)系，但是可以通過高采樣率來補(bǔ)償。實(shí)際采樣率(或者說一次采樣等待時(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)間的長度會(huì)對(duì)動(dòng)態(tài)范圍有比較大的影響。因?yàn)槠椒降脑蚴蛊鋵?duì)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(duì)于實(shí)際信號(hào)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)捕獲過程。隨著捕獲時(shí)間的增加，信號(hào)中噪聲的量級(jí)并不會(huì)增加。Frac說明了去噪算法，提供了對(duì)采集區(qū)域限制也包含了信號(hào)對(duì)這種影響的抵消。第二個(gè)影響因素是均值。更長的捕獲需要更長時(shí)間的采樣?，F(xiàn)在一些更復(fù)雜的考慮則并非公認(rèn)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(nèi)的噪聲是白噪聲。如果主要的噪聲來源于 ADC的量化影響，則以上表述就尤其正確。這就意味著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(xiàng)目。這種狀況下，動(dòng)態(tài)范圍完全依賴于等時(shí)采樣率。這樣似乎與正常的想法不一樣，一般來說增加采樣率會(huì)導(dǎo)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捕獲時(shí)間增加來消除，因此采樣數(shù)量的增加是能夠被平均的。當(dāng)走線噪聲是在規(guī)范定義的帶寬限制內(nèi)時(shí)（這也是大多數(shù)的情況），動(dòng)態(tài)范圍事實(shí)上可以通過來計(jì)算，當(dāng)然看起來似乎是不合規(guī)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)捕獲不必要過采樣（當(dāng)然這是理論上的，而不是實(shí)際上的運(yùn)算考慮）。為了取得在限制帶寬和非限制對(duì)噪聲的影響，必須要使用這種調(diào)整來比較。

SPARQ動(dòng)態(tài)范圍技術(shù)

SPARQ設(shè)計(jì)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)滿足低成本和易用性，通過使用一個(gè)脈沖發(fā)生器和2個(gè)采樣器實(shí)現(xiàn)低成本和易用性，原因是TDR發(fā)生器是主要的成本來源。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?yàn)閱我幻}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)高頻率的開關(guān)裝置，這個(gè)開關(guān)設(shè)備能夠?qū)y試設(shè)備校準(zhǔn)到內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)參考面而不需要多次的連接和斷開的動(dòng) 作。這個(gè)內(nèi)部校準(zhǔn)能力可以實(shí)現(xiàn)更簡單方便的操作。這個(gè)能力也是SPARQ動(dòng)態(tài)范圍較大的一個(gè)標(biāo)簽，因?yàn)殚_關(guān)系統(tǒng)增加了整個(gè)系統(tǒng)的損耗，更重要的是它增加了長度。

正如我們在動(dòng)態(tài)范圍公式中看到的，設(shè)備中內(nèi)部脈沖發(fā)生器/采樣器和設(shè)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?yàn)樾盘?hào)必須要從脈沖發(fā)生器產(chǎn)生然后到端口，中間經(jīng)過DUT，最后經(jīng)過端口返回采樣器。事實(shí)上，這個(gè)過程使SPARQ的動(dòng)態(tài)范圍下降了7dB。長度是一個(gè)更大的因素，因?yàn)樽罱K的捕獲長度包含了至少4次的系統(tǒng)增加的額外長度。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(shè)計(jì)僅僅到此，那么SPARQ就只是一個(gè)廉價(jià)的對(duì)實(shí)際測試沒有更大幫助的設(shè)備，但事實(shí)上SPARQ包含的很多技術(shù)指標(biāo)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(shè)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(yīng)。大部分的TDR系統(tǒng)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(yīng)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似的脈沖，因?yàn)镾PARQ的脈沖看起來并不是非常漂亮—它有80%-100%的過沖—在傳統(tǒng)的以視覺檢驗(yàn)脈沖響應(yīng)的TDR應(yīng)用中顯的沒有什么吸引力。SPARQ的主要任務(wù)是提供S參數(shù)和校準(zhǔn)時(shí)域響應(yīng)，這些也是動(dòng)態(tài)范圍和精確度的需要—超越視覺吸引力的真實(shí)脈沖。總之，通過非平坦脈沖能夠使動(dòng)態(tài)范圍提升12dB。

第二個(gè)特點(diǎn)是被力科專利保護(hù)的連續(xù)間隔采樣（CIS）。傳統(tǒng)的TDR系統(tǒng)是基于順序采樣，這種采樣方式速度慢且來自時(shí)基非線性影響也是不能忍受的。一些順序采樣也可能帶來更多的錯(cuò)誤。時(shí)基非線性不會(huì)對(duì)動(dòng)態(tài)范圍產(chǎn)生負(fù)面影響，但可能對(duì)精確度產(chǎn)生負(fù)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(fù)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)基非線性的問題。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單。相對(duì)于其他順序采樣系統(tǒng)而言，采樣系統(tǒng)的速度提升能夠帶來12dB-18dB的動(dòng)態(tài)范圍提升。不幸的是，當(dāng)采樣器的采樣率提升時(shí)會(huì)帶來更大的噪聲，所以考慮到高采樣率下噪聲的增加，整體系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍只能提升6dB. 最后說明的是，由于這個(gè)好處很大程度上依賴快速平均，所以設(shè)備本身的設(shè)計(jì)非常重要，要確保平均過程能夠真正提升動(dòng)態(tài)范圍。測試內(nèi)容見附錄C effect of Averaging

最后一個(gè)特點(diǎn)是采用Wavelet denoising的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)來消除噪聲。這類技術(shù)通常用于雷達(dá)、圖形處理、心電圖系統(tǒng)。這類技術(shù)的影響很難被量化，但最簡單的觀察它的影響的方法是：這種去噪算法消除了在沒有反射時(shí)捕獲持續(xù)更長時(shí)間時(shí)產(chǎn)生的噪聲。對(duì)于一個(gè)比較走線較短的設(shè)備，這種處理能增加約10dB的動(dòng)態(tài)范圍，對(duì)于走線較長的設(shè)備，動(dòng)態(tài)范圍的提升更大明顯。當(dāng)設(shè)備端口間有更好的隔離時(shí)，wavejet denoising技術(shù)可以帶來遠(yuǎn)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(xiàn)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，無論你想用那種方式。

新聞中心

SPARQ系列述評(píng)之八 ―― SPARQ 動(dòng)態(tài)范圍

評(píng)論

相關(guān)推薦

技術(shù)專區(qū)