SPARQ

"Advanced Measurements....not only Signal Integrity" - TDR and S-parameters Что такое S-параметры? S-параметры измеряют параметры отраженной и падающей волн в тестируемых устройствах S происходит от слова Scattering (Рассеивание) Тестируемые устройства могут быть: коаксиальные кабели. Пассивные антенны, активные усилители, микроволновые фильтры и т.п.. S-параметры имеют модуль коэффициента передачи/отражения (dB) и фазу (градусы) Принятое обозначение: S o пример S21 = передача от порта 1 к порту 2 Для измерения S-параметров используют векторные анализаторы и импульсные рефлектометры. 2-портовое ТЕСУ Z S Z L порт 1 порт 2 a 1 Приложенная мощность b 1, отраженная волна b 2, падающая волна

Введение измерение в S-параметров S-параметры (от словосочетания Scattering matrix «матрица рассеивания») это путь точного описания как ВЧ энергия проходит через многопортовые тестируемые устройства. ТЕСУ, в большинстве случает представляется как «черная коробка» Матрица S-параметров для N-портового устройства содержит N 2 S- параметров S-параметры комплексные величины (модуль вектора и фазы) частота S11 – модуль вектора отражения "Advanced Measurements....not only Signal Integrity" - TDR and S-parameters

Пример отображения параметра S21 для переходной платы Measurements and Best Practice for Signal Integrity - TDR and S-parameter частота потери

Число портов ответ на вопросы Порты 1 и 3 имеют физическую связь Порты 2 и 4 имеют физическую связь

стимуляция передача отражение Отражение / передача ( частотная область ) Отражение: потери при отражении (dB) o отношение в dB мощности отраженного сигнала по отношению к приложенной мощности сигнала Передача: потери при передаче сигнала (dB) o отношение в dB мощности переданного сигнала по отношению к приложенной мощности сигнала S 21 частота "Advanced Measurements....not only Signal Integrity" - TDR and S-parameters

Основные особенности 4-портовых измерений 4-портовое ТЕСУ может быть представлено как с общими, так и с дифференциальными входами Для 4-х полюсника с общим входом S-параметры выглядят как для 2-хполюсника, только S-параметры Но 4-портовое ТЕСУ может быть представлено как 2-х портовое ТЕСУ, но с дифференциальными входами; в этом случае S- параметры можно отобразить в «смешанном режиме» 4-портовое ТЕСУ порт 1 порт 2 50Ω порт 3 порт 4 50Ω

"Advanced Measurements....not only Signal Integrity" - TDR and S-parameters Смешанный режим S-параметров ТЕСУ измеряется в дифференциальном и несимметричном режимах В дифференциальном режиме ТЕСУ имеет четыре доминирующих 4 S- параметра Переход от несимметричного 4-х входового режима к смешанному режиму осуществляется вычислением используя преобразование матрицы o S dd21 дифф. Режим усиления от дифф. Порта 1 к дифф. Порту 2 Дифференциальное 4-порт ТЕСУ Дифф. порт 1 50Ω Дифф. порт 2 + ¯ + ¯ S dd - Differential to Differential mode S cc Common to Common mode S cd, S dc Cross-mode

Смешанный режим S-параметров

Технологии развиваются со скоростями передачи… Высокие тактовые частоты и скорости передачи в компьютерах, телекоммуникации и сетевом оборудовании Новые стандарты во всем гигабитном диапазоне PCIE Gen(3) 8 Гбит/с SATA Gen(3)/SAS2 10 Гигабитный интернет Высокие скорости передачи подразумевают форму импульса с малым временем нарастания/среза Необходимость контроля волнового сопротивления при воздании систем передачи высокоскоростная переходная плата

Высокоскоростные системы передачи данный требуют… Факторы, игнорируемы на низких скоростях передачи, становятся критическими – перекрестные помехи, межсимвольная интерференция Качество линий передачи становится критическим на высоких скоростях Анализ ИР становится частью измерения целостности сигнала высокоскоростных устройствnow вместе с джиттером рисунок показывает ключевые моменты, на которые следует обращать внимание при увеличении скоростей передачи данных

Основные проблемы целостности сигнала

Отражения Отражение

линии передачи и электронные компоненты, которые служат передатчиками и приемниками, имеют ограниченную полосу частот. Это приводит к тому, что фронты сигнала становятся не идеальными. Первый бит после переключения полярности может не достигнуть нужной амплитуды в заданный промежуток времени. Для этого некоторые системы используют «предыскажения», которые делают фронты сигнала более крутыми. идеальная форма сигнала Ограничение полоса пропускания (реальная форма сигнала) Как межсимвольная интерференция создает джиттер в системе The order in which bits occur affects edge timing

Поток данных = Как межсимвольная интерференция создает джиттер в системе The order in which bits occur affects edge timing смена полярности бита Переход 1->0 в последовательности и приводит к разному результату при достижении порогового уровня ошибка временного интервала, вызванная МСИ есть порядок бит, при котором возникает ошибка временного интервала при переключении полярности. Рассмотрим шаблон и 11110

Межсимвольная интерференция (МСИ) это основная причина детерминированного джиттера Гбит/с NRZ-сигнал без МСИ Гбит/с NRZ-сигнал с МСИ

Основы импульсной рефлектометрии

Что такое ИР Импульсный генератор используется для создания импульса возмущения (стимулятор) Отражение напряжения от тестируемого устройства (ТЕСУ) измеряются осциллографом на совпадение напряжения тестирования Форма измеренного отраженного сигнала помогает определить характер цепи и его расположение неоднородностей ИР- Импульсная Рефлектометрия (ИР) TDR measurements set-up ИР измеряет Неоднородности, что означает отражение и расстояние до него Time Это измерение отражение во временной области

Zнагр Тестируемое устройство Импульсный генератор Модуль ИР Z S = Vизм Z 0 = 50 VвозмVотр V возм V изм время 2 (V возм ) V изм = V возм V изм = V возм + V отр = 2 (V возм ) Vвозм фронт имп. V отр. фронт имп. сигн. Отображение ИР Vотр = Vвозм ( Zнагр – Z 0 ) Zнагр + Z 0 Zнагр, Определение Vотр: Vотр = Vвозм Холостой Ход (Zнагр ) Пример ИР

Vизмер = Vвозм Vизм = Vвозм + Vотр = 2(Vвозм) Vвозм фронт имп. сигн Vотр. фронт имп. сигн Холостой Ход (Zнагр ) Пример ИР

Тестируемое устройство Импульсный генератор Модуль ИР Z S = Vизм V возмV отр Zнагр 0 Z 0 = 50 time 2 (V возм ) V возм V изм Отображение ИР Vвозм фронт имп. V изм = V возм V отр. фронт имп. сигн. V изм = V возм + V отр = 2 (V возм ) Vотр = Vвозм ( Z нагр – Z 0 ) Z нагр + Z 0 Z нагр 0, Определение Vотр : Vотр = Vвозм "Advanced Measurements....not only Signal Integrity" - TDR and S-parameters Короткое замыкание(Zнагр =0) Пример ИР

Vвозм фронт имп. сигн Vизмер = Vвозм Vизм = Vвозм + Vотр = 0 Выравненная кривая Необработанная кривая "Advanced Measurements....not only Signal Integrity" - TDR and S-parameters Короткое замыкание(Zнагр =0) Пример ИР

Z S = Z нагр = 50 Z 0 = 50 V возм Vизм time Отображение ИР Vвозм фронт имп.сигн. V изм = V возм Отражение не обнаружено, поскольку вся энергия поглощена нагрузкой Vотр = Vвозм ( Z нагр – Z 0 ) Z нагр + Z 0 Z нагр = Z 0, Определение Vотр : Vотр = 0 Согласованная нагрузка (Z нагр =50Ом) Пример ИР Тестируемое устройство Модуль ИР Импульсный генератор Vизм V возмV отр

Vизмер = Vвозм Vвозм фронт имп. сигн Отражение не обнаружено, поскольку вся энергия поглощена нагрузкой "Advanced Measurements....not only Signal Integrity" - TDR and S-parameters Согласованная нагрузка Пример ИР

Vвозм Vизм time Отображение ИР Vвозм фронт имп.сигн. V изм = V возм Неоднородность от последовательной L Vотр Тестируемое устройство Z нагр = 50 Z 0 = 50 L Тестируемое устройство Z нагр = 50 Z 0 = 50 C V возм V изм time Отображение ИР Vвозм фронт имп.сигн. V изм = V возм Неоднородность от шунтирующей C Индуктивная (L) и Емкостная (C) нагрузки

время t=0 Опорный уровень Vвозм Vизм 2(Vвозм) Импульсный генератор формирует тестовый фронт Согласованная нагрузка Vотр = 0 Короткое замыкание Vотр = -Vвозм Холостой ход Vотр = +Vвозм Индуктивные искажения Емкостные искажения ИР отображает обе составляющие цепи – согласованную и несогласованную. Понимание отображения ИР

Тестируемое устройство генератор перепада Модуль ИР Z S = V meas Vвозм.Vотр Zнагр. = 50 Z 0 = 50 C L Vвозм. Vизмер. время TDR Display Vвозм. Обнаружен фронт Vизмер. = Vвозм. L-C неоднородность t1t1 t2t2 1 2 t2t2 t1t1 dt C = 1 Z(t) Емкость может быть рассчитана непосредственно по форму сигнала 1 2 t2t2 t1t1 Z(t)dt L = t1t1 t2t2 Индуктивность может быть рассчитана непосредственно по форму сигнала Индуктивные (L) и Емкостные (C) неоднородности

This example shows the effect of a 1.5 cm wire loop placed in the center of a 50 ohm stripline. Последовательная индуктивность (L)

This example shows the effect of a 10 pF capacitor shunting the stripline to ground. Шунтирующая ескость ( C )

Vвозм V изм время Отображение ИР Время до неоднородности T D = 0.5*(T)*(v p ) Физически расстояние до неоднородности может быть определено как: D = Физическое расстояние до неоднородности T = Время до неоднородности от начала импульса возмущения до точки неоднородности и обратно (задержка обратного хода) v p = скорость распространения (свойство материала) Определение места нахождения

Этот пример показывает реальное распределение отражения импульсного сигнала в цепи содержащей три последовательных типа сопротивлений : 100 Ом, 62 Ом и 100 Ом Многоступенчатое сопротивление

Что такое передаточная импульсная характеристика Импульсный генератора обеспечивает формирование возмущающего импульса (стимуляция) Передаточная характеристика тестируемого устройства (ТЕСУ) измеряется осциллографом ПИХ включает потери при передаче Необходимо 2 ИР модуля – один для стимуляции, другой для измерений ПИХ измерения ТЕСУ Два ИР модуля ПИХ – Передаточная Импульсная Характеристика (ПИХ) время Осциллограф передача это измерения передаточной характеристики во временной области

Нормализация АЧХ (калибровка) После калибровки – неравномерности АЧХ, вызванные разъемами и линиями передачи скомпенсированы АЧХ устройства и разъемов до калибровки Метод калибровки : КЗ Использование двух мер – КЗ и согласованной нагрузки ХХ Использование трех мер – КЗ, ХХ и согласованной нагрузки

TDR/TDT, векторные анализаторы и измерение S-параметров TDR/TDT и S-параметры описывают процесс отражения и передачи во временной и частотной области. TDR/TDT S-параметры TDR/ TDT измерения могут быть преобразованы в частотный домен для анализа S-параметров. S-параметры могут быть преобразованы во временной домен для измерения TDR/TDT Отражение– корреляция в S 11 S-параметры полученные с векторного анализатора цепей и извлеченные из ИР измерений

Анализатор SPARQ (S-Parameters Quick) Измеритель S-параметров на принципе импульсной рефлектометрии частотный диапазон 40 ГГц на 4-х портах встроенный автоматический OSLT (ХХ; КЗ; СН; МПК) управление всего одной кнопкой низкая цена, по сравнению с векторными анализаторами малое время калибровки и измерения компактные размеры

модели SPARQ SPARQ-4004E:4 порта, 40 ГГц, внутр.калибратор SPARQ-4002E:2 порта, 40 ГГц, внутр.калибратор SPARQ-4002M:2 порта, 40 ГГц, внеш.калибратор В перспективе будут и модели с большим числом портов Включает в себя: 40 ГГц фазостабильные кабели 2.92 мм адаптеры специальный ключ, универсальный ключ USB накопитель с софтом

Архитектура SPARQ

Основан на принципе импульсной рефлектометрии когерентная развертка ПЛИС матрица переключения ПО SPARQ на ПК 100 МГц устройство управления ИР цифровые данные… ИР цифровые данные управление ИР ИР импульс/оцифровщик и АЦП ИР оцифровщик и АЦП система сбора информации использует формирователь с временем нарастания 6 пс LeCroy развертка CIS обеспечивает сбор 250 осциллограм/сек 40 ГГц переключатели управляют подключением входного сигнала и калибровочного комплекта Алгоритм компенсации обеспечивает получение S-параметров только для измеряемого устройства. архитектура SPARQ-4004E

Так это выглядит изнутри

Где образцовые площадки для подключения? Другими словами, что это за система, которую мы используем для измерения?

возможности SPARQ по самокалибровке SPARQ показывает систему по ее анализу. До сегодняшнего для измерение S-параметров это преодоление множества сложностей Векторные анализаторы не имеют встроенных систем калибровки пользователи ИР должны учитывать влияние кабелей и тестовых площадок Мы делаем измерения ближе к пользователю… Патентованный алгоритм измерения S-параметров позволяет вам компенсировать «известные» элементы системы. Пользователь сам конфигурирует SPARQ на необходимые компенсации адаптеров, кабелей и пр.

План-Карта SPARQ внутренняя плата калибровки плата измерения (плата ручной калибровки) плата предискажений неизвестный S-параметр известные S-парам. пользователь контролирует файлы S-параметров через интерфейс

процесс компенсации в SPARQ Заданные S- параметры компонентов системы… Мы рассчитываем S-параметры тестируемого устройства …и использование OSLT калибровки…

Зависимость динамического диапазона от частоты

калибровка SPARQ и время измерения Режим предпросмотра: Быстрая калибровка и малое время измерений Режим измерения: Больше усреднений сигнала для лучшей достоверности. Калибровка может выполняться перед каждым измерением без отключения/подключения тестируемого устройства 0 Измерения зависят от вычислительных возможностей используемого компьютера 2-портовые измерения, включая калибровку Общее время калибровки # порта# точек Пред. просмотр Режим измерения Режим погрешности Время калибровки с 1 мин 36 с Пред. просмотр 11 с с 1 мин 52 сизмерение 1 мин с 2 мин 15 с 4-port measurement time, including calibration # порта# точек Пред. просмотр Режим измерения мин 36 с 4 мин 37 с мин 14 с 6 мин 45 с мин 17 с 10 мин 5 с

Результаты измерения SPARQ

Экран отображения SPARQ

Диаграмма Смита Measurements and Best Practice for Signal Integrity - TDR and S-parameter 50 short

Инструмент для оценки целостности сигнала, который вы оживали 1. измерение АЧХ в дифференциальном и несимметричном режимах до 40 ГГц 2. Смешанный режим измерения ослабления до 40 ГГц 3. ИР осциллограмма во время измерения 4. измерение ослабления в дифференциальном и несимметричном режимах до 40 ГГц 5. Режим отображения АЧХ 6. измерение сопротивления в дифф. и несимметричном режимах от длины линии 7. регулируемое время нарастания для всех доменов 8. до 16 одновременно индицируемых измерений 9. независимая растяжка на каждую осциллограмму

Конфигурирование результирующих осциллорамм селектор S-параметров: Выбор в зависимости от числа портов SDxDy это примечания LeCroy SDDxy типичное отображение Но … если у вас >10 портов. Что означает SDD111??? селектор результата: результат в частотной области результат во временной области (Rho и Z только для S11, S22)

Несимметричный режим смешанный режим Несимметричный режим смешанный режим для конвертации нужен только пересчет

Применение смешанного режима: краткий экскурс Пример несогласованной дифференциальной пары Несимметричный режим

S-параметры несимметричные S11, S22, :несимметричные потери отражения S31, S42:несимметричные потери передачи Это может быть использовано для определения дифференциальный свойств цепи, преобразованием в режим смешанных S-параметров

Режим смешанных S-параметров Sdd xy : описывает дифференциальные свойства Scc xy : описывает свойства не симметричного режима Scd xy : описывает преобразовании из несимметричного в симметричный режим

Пример дифференциальных измерений S- параметров, используя несимметричные ИР S13 S24 Несимметричные входы Преобразование результата «несимметричных» Измерений в «дифференциальные» SDD12

Результаты SPARQ во временной области

Переходная импульсная характеристика Отображение переходной характеристики для заданного пользователем времени нарастания Форма ПИХ близка к синусоиде. SDD11 (dB) SDD11 ПИХ

Импульсная характеристика Производная от переходной импульсной характеристики - импульсная характеристика Пример: SD11 и SD22 ИХ: SDD11 (dB) SDD11 ИХ

Измерение Z и R Аппроксимация формы сопротивления Ось времени - электрическая длина как противоположная ПИХ и ИХ Пользователь сам выбирает время нарастания для аппроксимации график Z показывает распределение сопротивления в зависимости от частоты

Отраженный и падающий сигнал (TDR/TDT) Отображаются «сырые» осциллограммы TDR и TDT SPARQ может усреднить: в группу из 250 экрана (использует аппаратное усреднение) как математическая функция усреднения

сравнение SPARQ и векторного анализатора результаты тестирования

2-портовые анализаторы, 40 ГГц 2-х портовый Anritsu 40 ГГц измерения SPARQ 4004E полосовой фильтр НЧ фильтр

сравнение SPARQ и векторного анализатора S11 S12 переходная импульсная характеристика

польза от SPARQ стоимость измерения S-параметров значительно ниже, чем у векторного анализатора цепей низкая цена делает измерения S-параметров доступными для всех Встроенный автоматический калибратор OSLT нет ручных подключений/отключений или дорогих комплектов ECAL Готов для симуляции S-параметров соответствует требованиям пассивности, взаимности и причинности ; работает с постоянного напряжения Отображение как временного, так и частотного домена Измерения на одном конце, смешанные режимы отображения S- параметров в стандартной комплектации Отображение ПХ, ИХ, Z и Rho Автоматическая компенсация тестовых площадок влияние кабелей, адаптеров и пр. исключаются из результатов измерений возможность отображения отраженной и падающей волны наглядное отображение TDR/TDT для быстрой проверки и отладки Небольшой размер, легкий, простой в использовании.

12-портовый анализатор SPARQ в диапазоне до 40 ГГц SPARQ- 4012E