采樣示波器 VS 實時示波器
2019-06-19
前言：談到光接口的時域指標測試，工程師言必稱采樣示波器（sampling scope）。因為采樣示波器擁有不可比擬的信號完整性方面的優勢：帶寬高、噪聲低、量化誤差?。ù怪狈直媛矢撸?，美中不足是需要同步觸發時鐘，以至于光工程師都漸漸遺忘了實時示波器（real-time scope）。
挑戰：長久以來，工程師們在進行光接口測試（尤其是光模塊測試）時都不擔心同步觸發時鐘，要么從碼型發生器（Pattern Generator）引過來、要么使用時鐘恢復單元（Clock Recovery）從被測信號上恢復時鐘。前者在生產測試上是極具成本優勢的，后者多用于研發，追求******的測試效果。但是隨著光接口速度的不斷提升，尤其是25GBps以上的多路光接口。每個信號通路上都加入了re-timer單元，也就是說同一個光接口（光模塊）中的不同路信號其實是不同源的。也就是說來自于碼型發生器（Pattern Generator）的同步時鐘和信號已經未必同步了，這一點在當前的PAM4光模塊測試上尤其明顯。經過實際對比測試發現，使用時鐘恢復單元（Clock Recovery）進行測試時結果要比使用碼型發生器（Pattern Generator）同步時鐘作為觸發更加好。不過，當工程師需要進行更高速度的測試時，時鐘恢復設備的價格就會非常高，大大增加測試成本。
圖一：一個典型的多路25GBps光收發器，每一路都有retimer
新的嘗試：總所周知，采樣示波器的不便之處正是實時示波器的天生優勢：在捕獲信號的時候實時示波器使用內部時基，無需外部的同步觸發時鐘。但是實時示波器給人的印象總是：帶寬低、噪聲高、量化誤差大。還有更要命的是：只支持電輸入。所幸的是隨著技術的不斷革新，實時示波器發生了翻天覆地的變化，帶寬不再是問題、噪聲越來越低，而且***重要的是配合實時示波器的高帶寬光探頭出現了。于是，工程師們可以嘗試使用高性能實時示波器來進行新一代光接口的測試了。
實時示波器+光探頭的組合完全無需考慮外部的同步觸發信號，直接完成信號的捕獲。而時鐘恢復用軟件實現，鎖相環帶寬更加精準，也更加彈性（在研發場合可以任意的設置鎖相環帶寬）。而且測試連接及其簡單，只需一根光纖而無需任何的電纜。
圖二：全新的實時光接口測試方案
圖三：實時分析軟件的簡潔配置界面
完善的測試項目的支持：除了支持IEEE要求的一致性測試項目之外，更支持眾多研發測試項目：如抖動、誤碼定位以及誤碼率預估。
圖四：除了IEEE要求的一致性測試項目之外，更支持眾多研發分析類項目
圖五：誤碼檢測與定位
測試結果對比：測試結果非常一致。
圖六：使用實時示波器的53GBd PAM4測試結果
圖七：使用采樣示波器的PAM4測試結果
討論&結束語：實時示波器方案已經嶄露頭角，無論從測試連接的便利性還是測試結果的相關性上都展示出正面的結果。
實時Vs取樣 ：優孰劣？
實時Vs取樣：哪個測試結果更真實？或者說更能反映一個真實接收機的接收效果？這是每個工程師都非常關心的問題。
覺得實時方案不靠譜的基本上都是擔心示波器的垂直分辨率以及底噪聲。覺得實時方案好的主要基于觸發抖動以及更精準的時鐘恢復設定。
不過泰克全新的ATI示波器采用 異步時序交織結構，實現了 70 GHz和 200 GS/s（5 ps/樣點）實時采集性能。這種已獲專利的對稱結構本身的噪聲要遠遠優于傳統帶寬交織方法。DPO70000SX 提供了******的噪聲、******的保真度和******的性能。圖中顯示了應用到ATI 輸入的60 GHz 正弦波抖動分析。 結果顯示干凈的眼圖，隨機抖動RJ <80 fsRMS
正式基于泰克ATI示波器的高性能，ATI示波器已經廣泛應用于進行復雜的光調制分析，對高速串行信令和頻率進行抖動和噪聲分析，對寬帶 RF 信號進行相位和調制分析。比如***近長春光機所中德綠色光子學研究中心，采用泰克的ATI示波器進行“低能耗VECSEL 200+ Gbps 光互聯”研究，
下圖來自Gunter Larisch 論文《Energy-efficient VCSELs for 200+ Gb/s optical interconnects》
圖八：實時示波器幫助低成本低功耗50GBps激光器件的研究
文中使用實時示波器用于多模低成本、低功耗激光器件的研究。從圖中的DUT速率為50GBps且經過了2米長的OM5多模光纖的傳輸。出色的信號完整性以及靈活而******的抖動分析功能是Larisch博士選擇實時示波器的原因。