6GHz带宽示波器的经典对比
mass_lynnxy2009/04/24仪器仪表 IP:四川
这是Tmworld很早的一篇评测文章,但迄今为止我再没发现后来这么有深度,真刀真枪的比拼。原谅我的孤陋寡闻,嘿嘿。但遗憾的是好多测试数据,结果并未给出,显得有点遮掩,这一点有点像电视新闻里报道敏感画面时的马赛克处理。无论是EDN还是Tmworld的页面都是排版混乱,惨不忍睹。我在这里做了重新的整理,并附上了原文欠缺的仪器图片。不管怎么说瑕不掩瑜,该文仍然不失为一篇重量级的好文章,可以作为评测的范文,供大家参考。Dan Strassberg和Martin Rowe两位Tmworld的当家人联袂写出的文章更是值得一读。需要注意的是,整理文章中任然有一些缺欠的地方:
        1. Tek和Lecory给出的测试建议,不知如何区分。
        2. 详细结果可在网上查到(参考文献2),其中力科公司的Marty Miller博士给出了分析与评论,以及屏幕图。无法找到
        3. 图 4; 参见"参与测试人员简介"栏,无法找出
        测试仪器的正面较量
        Dan Strassberg,特约技术编辑2003-08-05
        2002年8月中旬,当时全球仅有的两款6GHz带宽实时采样数字示波器--泰克公司的TDS 6604 (图 1) 与力科的Wavemaster 8600A (图2)--开始捉对比拼,此时安捷伦的Infiniium 54855A (图3)却在这种紧张氛围中未见声色,直到几周之后新闻界才听说。
        两周前的7月30日, 即 8600A公开发布前一日, 力科公司访问了EDN办公室展示其新的示波器, 并带来一台泰克示波器作比较。这时 6604 还没出台, 因而公司的产品部经理Mike Lauterbach博士带来了一台老式的窄带宽泰克仪器, 即4GHz带宽的 TDS 7404。
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        图 1泰克的TDS 6604是第一台6GHz带宽4通道实时采样DSO。
        Lauterbach坦然承认, 在涉及大量数据处理的复杂信号显示(这是高端仪器的关键应用)方面,6604比7404快得多。不过,他说,在产生这样的信号显示时,8600A仍然要比6604 快约一个数量级。他还强调了一台仪器在显示屏上快速显示有用信息的重要性。
        半个多世纪以来,测量仪器一直是电气电子工程师们的支柱,一个关键原因就是测量仪器具有交互性能。你在示波器显示屏上观察到了某种现象,如果是故障, 你会假设一种修复的办法;如果你看到的是被测单元(UUT)的非预期行为, 你会想出新的测量法确认疑因。用这两种方式,你都能立即检验你的想法。如果没有这种级别的及时性与交互性,实验室经验会完全不同。 很难说力科是认识到仪器交互性重要性的独一家; 对这种功能的需要也推动了泰克在TDS 7000系列中结合 DPO (数字荧光示波器) 模式, 7404而非 6604 是TDS 7000系列中的一员。 遗憾的是, 在DPO模式下不能实现一些最重要的仪器功能。尽管7404的带宽比8600A 和 6604低,但由于有深度内存选项,它能提供比6604大得多的内存。 (7404在4通道模式下的标准内存是 100kS/C(样本/通道),在单通道模式下可随意地扩充至32MS。) 从某些方面看,较大的内存使得7404 与 8600A更具可比性,8600A在4通道模式下的标准内存是1MS/C, 在2通道模式下可达48MS/活动通道。2通道模式下,8600A 和 6604 均可获得最大20GS/s(样本/秒)的实时数据,而 7404 在单通道模式下才能达到这样的采样速率。
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        图 2在EDN 进行的两款6GHz 仪器评测中,力科的 Wavemaster 8600A胜出。
        7404与8600A均使用真正的深度内存结构,但6604 使用的是快入慢出(FISO,fast in/slow out)结构。 与实现实时数字化的深度内存仪器相比, FISO仪器实时采集样本但在将样本数字化之前以模拟形式储存,其数字化速率在高速扫描时通常比采样速率慢。(许多 FISO仪器,包括6604,也提供随机重复采样方式,它能进一步增加采样重复波型的有效速率。随机重复采样也是许多深度内存仪器的一项功能,7404 和8600A均有此功能。) 6604 具有125 000S/C的固定内存。这种容量和最大正常实时采样率(在4通道方式下每一通道为10GS/s),在仪器工作于双通道模式下时加倍。
        对擂计划
        在 8600A公开面世后,一位泰克代表马上指出,8600A宣称其新的仪器能以更快速度产生复杂显示是不对的。在8600A之前,其上代产品,5GHz带宽的 Wavemaster 8500,已被使用了很长时间,它的结构和显示速度与8600A是一样的,而且泰克已经有足够的机会确定8500所能实现的功能。每一家公司都提出了其测试表(表1),并同意每家派两名工程师到EDN 位于麻省牛顿的办公室试用8600A与 6604,以测试哪一种显示有用信号的速度更快。在力科的同意下,泰克后来提议在6604之外另带一台CSA 7404。CSA 7404是 TDS 7404 中的一款,它提供增强的波形分析能力。CSA单元可以展示泰克的顶尖深度内存仪器的响应能力。评测活动进行时,EDN的同行Test & Measurement World也同意加入并共同主办这次活动。
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图为TDS7404
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图为CSA7404
测试综述
力科建议的测试
泰克建议的测试
对5.2GHz正弦波测量幅值与均方根(rms),持续60s
在单稳态模式下进行差分上升时间测量
对5.2GHz正弦波测量周期和频率,持续60s
对2.5Gbps PRBS7 (127bit)连续数据流绘制60s眼图(力科的SDM选项关闭)
对5.2GHz正弦波进行FFT测量
对2.5Gbps PRBS7 (127bit)连续数据流绘制60s眼图(力科的SDM选项在其要求下启用)
数学计算,比如计算信号平方并求平方和
对622Mbps连续数据流测量时间间隔误差(抖动)
        此时局面变得更加复杂。安捷伦打来电话说他们的4通道 6GHz带宽 DSO (参考文献 1)也有意加入战团。我提议将安捷伦也纳入比试中,安捷伦最初也表示了兴趣,但我们遇到了无法克服的逻辑问题,我应该先通知泰克和力科,安捷伦也要参加;但若要这么做,我应赶在安捷伦11月1日的发布会之前6周,就将安捷伦的计划透露给他的竞争对手,这是不可能的。因此我们商定,如果安捷伦需要,我们可以随后筹备第二轮的测试并公布结果。只有安捷伦一家参加,但测试内容将和泰克及力科完全一样。现在还不清楚安捷伦是否有意这一计划,但如果他们愿意实施,你将在EDN看到第二轮比试。 
        当对擂计划实施时,泰克对参评内容提出了保留意见。有人认为也许这种对擂的前提未免幼稚。泰克是现有市场的领头羊,他在力科之前约一年就已将6GHz仪器推向市场,顾客已热情地接受了这一产品,而且几乎所有用过的人都表示认可。 (就连力科也称TDS 6604是一款优良的仪器,尽管他们指出 "优良"并非"最佳"的同义词。)因此,如果不能保证其产品能痛击对手,泰克参与对擂会赢得什么呢?  
        泰克最终退出了,他们说没有机会评估8600A的SDM (连续数据测量,serial-data-measurement) 新功能选项--这是力科对CSA 7404的先进分析性能的回应;这一功能太新了,泰克还来不及尝试,但两家公司曾同意,自己的产品只有竞争对手已经评估了之后,才能带来评测。力科建议的测试项目不需使用这一功能,但泰克建议做一些有关连续数据分析的测试。力科说,要这么做,应使用的功能选项泰克早就有充足的时间评估了,自从力科于2002年3月发布其Wavemaster 系列以来,就实现了其JTA2 (抖动计时与分析)功能。(在泰克仪器中,通过JIT3选项可获得对应功能,我们用JIT3比较了两家制造商的仪器的连续数据分析速度。) 此外,力科说他们将禁用SDM,这从8600A 的主菜单可以很容易地做到,然而泰克继续反对,也许是泰克误会了力科的建议。
对擂结果

        尽管泰克退出了,对擂还是如期开演了。力科获得了一台装备了 JIT3及最大内存(8MS/C)的TDS 7404。力科也碰巧有一台租来的TDS 6604,并被允许延期使用若干天。 遗憾的是在这台仪器上不能使用JIT3 。 2002年10月29日上午8点,星期二,两位力科代表带着这两台泰克仪器及一台包含JTA2与 SDM 选项的WaveMaster 8600A ,以及一车信号源出现在TDN
        (图 4; 参见"参与测试人员简介"栏)。 
        测试产生了许多有趣和有用的数据,但如果泰克哪怕是派出了一位观察员,结果毫无疑问会有趣和有用得多。 (在泰克退出后,EDN 向他们发出了派代表的邀请,但没有得到回复。) 有泰克观察员在场,也许他会指出我们哪些地方错误地使用了泰克仪器,他的建议可能会阻止出现向力科一边倒的测试结果。 两家公司都提出了6项测试,在两天之内,我们在每台6GHz 仪器上进行了每家公司清单上列出的4项测试, (泰克建议的一项测试需要使用7404而非6604。) 
        我们不可能做出全部12项测试,因为时间不允许,而且我们排除了不能在8600A和至少一台泰克仪器上同时使用的测试。只有一项测试用到了TDS 7404,这项测试因为6604 不能使用JIT3选项,未能在6604上进行。8600A轻松地赢得了每一项测试,这些测试都符合对擂的初衷:评定仪器表达数据的速度 (参见"测试结果总结")。 8600A的最小胜率为2.1∶1 ,这是在力科建议的测试项目中得出的;最大胜率为651∶1,出现在泰克建议的一项测试中。不过,要注意,力科使用了SDM 选项才产生651∶1的结果。
        如前所述,如果泰克在场,他们会反对力科使用这一选项。使用JTA2 做同样测量,力科的胜率仍然是令人信服的,但不再有这么巨大的差别,结果是6.5∶1。详细结果可在网上查到(参考文献2),其中力科公司的Marty Miller博士给出了分析与评论,以及屏幕图。
        学习曲线
        倘若是泰克而非力科单独参加了这次比试,结果又会如何呢?没人能确定。但如果泰克与力科一起参加了这次比试, 泰克可能不仅会比其已经做的要好,而且会比将要做的好。 结果偏向于惟一的参与者并非其中有诈;就我们所知,还未见有欺骗发生。况且,如果泰克是惟一的参与者,我们也没有理由怀疑泰克会使诈。问题出在使用非常复杂仪器的学习曲线上。 两家公司都在用户界面方面做了完美的工作,以简化用户对大量的先进测量与分析功能的调用。但你对你使用的仪器的实践经验是无可替代的。 尽管力科的代表有一些泰克仪器的使用经验,他们肯定对自己的产品要熟悉得多;同样,泰克的代表也会更熟悉他们自己的产品。几乎可以肯定,任何公司的代表都会更易于从其自己的产品,而非其竞争对手的产品中得到最佳结果。
        有鉴于此,在泰克退出后,我们数次告知他们,如果他们对我们的方法或测试结果有任何问题,他们都可以提供材料陈述其立场,以便我们发表或链接到我们的网站(参考文献2)。我们仍然信守这一承诺。
        不明差异 
        泰克可能有助于解决一直困扰我们的一个麻烦问题。尽管8600A 和7404对一个622Mbps PRBS7数据流(长2721bit的重复伪随机二进序列)都测得几乎同样的总抖动 ,但两台仪器对RJ与 DJ(随机抖动成分与确定抖动成分)的测定却大大不同(参见"未能解释的抖动差异")。我们不知道哪一台的测定是正确的,或者是否都给出了不正确的结果。力科对8600A的结果提供了一种虽不一定正确但看似有理的解释 (参考文献2)。到截稿时,我们已经数次询问泰克为什么公司领导相信TDS 7404/JIT3 测定是正确的,而8600A/JTA2测定是错误的,但泰克均未予置评。泰克的沉默可能并非默认其仪器产生了错误的结果,所以,如果泰克能作出响应,EDN将在我们的网站提供相关链接。
        我们最初的计划是,泰克带来一台配备了JIT3的6604。 如果EDN 在测试中能用上这样一台仪器,测试者将能在泰克和力科仪器上一齐试验一条2.488Gbps PRBS。然而,7404是泰克惟一具有JIT3分析能力的仪器,其4GHz 带宽对2.488Gbps流最多只能勉强够用,所以测试人员使用了一条622Mbps的数据流,而且为了一致,对8600A 也应用了同一信号。对622Mbps的数据流,7404的 4GHz 带宽和8600A的6GHz带宽的不同会导致RJ和DJ值的不同,这似乎是不可能的。
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        图 3 安捷伦(Agilent)的 Infiniium 54855A是在4通道6GHz 实时采样领域的最新产品,直到2002年11月才正式加入竞争行列。
54855A 的两个对手只能一次在两个通道上实现大于10GS/s的采样率,而54855A与之不同,它能以20GS/s的采样率同时实时采样4通道。因此,这种仪器能无混叠地同时捕获包含5 GHz 以上重要波形能量的4路信号。
        不过,有一点是确定的: 抖动测量理论并非成熟的科学;有人认为它仍然不过是"艺术"。 许多有才气的人参与到该领域的工作中,其中有的人正在开发测量抖动的标准,有的人已经开发出了几种抖动测量仪器和软件包。如果你从事设计,你的目标是定性和最小化抖动,而非量化主要与抖动有关的参数,比如误码率,那么,具有先进分析能力的好的宽带仪器可能是你最有价值的测量工具。 即便如此,你也可能想尝试一下其他类型的仪器。
        测试结构总结
        参考文献
1. Strassberg, Dan, "DSOs, probes simultaneously acquire four 6GHz differential signals at 20G samples/sec,"   
2. 有关本次评测的具体结果,请在XXXXXXXXXXXXXXXXXX 参看本文的HTML页面。
        作者简介
        Dan Strassberg已为EDN从事测试及量度15年多了,他拥有Rensselaer Polytechnic Institute (Troy, NY)的电机工程学士学位和Massachusetts Institute of Technology (Cambridge, MA)的电机工程硕士学位。他有30年从事测试及量度产品设计与工程项目管理的经验。由于现代示波器在许多电气与电子工程师的工作中不可或缺,用途广泛,他像大多数EDN读者一样对之痴迷有加。
        附文:未能解释的抖动差异
        Martin Rowe,Test&Measurement World资深技术编辑
        每个人都认为抖动影响数据的完整性,且经常影响数字通信系统的数据传输率,但并非每个人都对抖动的测量和测量结果的解释持相同的看法。通过对这两台仪器的抖动测量,我更清晰地认识到了这一点。
  我们使用了两台仪器(表A)对622Mbps的PRBS7(127bit的重复伪随机二进序列)数据流测量了抖动。表A示出,尽管两台仪器给出了同样的总抖动,但抖动成分却大大不同。不过根据描述总抖动的通式(参内文后参考文献),结果是一致的。
  
谁正确?
  说老实话,我们不知道是否某台仪器正确地报告了DJ和RJ,或者两台仪器都是错的。为了找到出现这种差异的解释,我咨询了几位抖动专家。(你可以在EDN站点XXXXXXXXXXX找到本文的HTML页面,上面登出了测试活动的参加者,力科的首席科学家Marty Miller博士所作的分析,以及本次评测的详细结果。) Amherst Systems的系统工程师Tom Zych归因于仪器用来求DJ和RJ的算法。他指出,因为工程人员对如何求取DJ和RJ并没取得一致,两台仪器产生不同结果并不值得大惊不怪。
  正是因为工程人员对抖动算法的看法不一致,Amherst Systems的
抖动分析软件提供了3种可选算法。Zych相信,泰克仪器使用了第4种算法,这种算法据他所知,与力科使用的完全不同。泰克不打算对其算法及矛盾的结果作出评论。
  曾服务于Wavecrest,现为信号完整性咨询专家的Michael DeBie 指出,使用一种判优器可以决定哪种仪器是正确的(如果有一台正确的话)。比如使用误码率(BER)测试器进行BERT扫描有可能会找到线索,但我们的测试中两台仪器都没用上(泰克曾答应带来一台)。诸如Wavecrest 或 GuideTech制造的抖动分析器,使用边界定时测量抖动并求解抖动成分,也可用作判优器。
  DeBie说,使用连续等效时间采样(sequential-equivalent-time-sampling)仪,比如安捷伦的数字通信分析器或泰克的通信信号分析器,也可能有助于解释这种矛盾,因为这种仪器能提供幅度与时间的更多细节。 (连续等效时间采样仪可以达到被评测仪器的几乎10倍的带宽,并能以高得多的分辨率进行数字化,但不进行实时或接近实时的数字化。其典型的最大采样率为200kS/s左右。此外,这种仪器每次触发事件通常只能获得一个样本。 这种特点通常限制了其在高度专门化领域,比如设备特性评测中的应用。)
光是一台仪器够用吗?
  你使用示波器的目的是检测电路故障,而从总的抖动中分析出DJ的关键是揭示抖动源的线索。抖动成分的进一步衰减能帮助你孤立抖动源。两台仪器都使用了能帮助找到抖动源的其他工具。例如,绘出图A 中那样的柱状图,该柱状图的峰值左侧有一个"肩"。这种非高斯曲线表明抖动包含了非随机成分。
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图 A 此屏幕图从力科的Wavemaster 8600A上抓取,显示了对 622Mbps PRBS7数据流测得的时间间隔误差的柱状图(中央上部的玫瑰红曲线)。围绕柱状图的是抖动澡盆曲线(在左右边上,黄色)。曲线下为一组约2百万次测量的统计,仪器绘出曲线用时约1min。为孤立抖动中的周期性的非高斯特征,可以使用仪器的FFT功能绘出抖动的频率图,或者一个或半个周期内的频率图。频率图能帮助确定周期抖动源,比如开关电源的时钟。
  参考文献
  Wavecrest Corp, Eden Prairie MN, Jitter Fundamentals, XXXXXXXXXXXXXXXXX/technical/pdf/jittfun_hires_sngls.pdf.
  作者简介
  Martin Rowe 是Test & Measurement World 的高级技术编辑,为Worcester Polytechnic Institute (Worcester, MA)的电机工程学士和Bentley College (Waltham, MA)的MBA 。他一直在几家测试及量度公司任职,并为Test & Measurement World写作了10多年。
表 A 对PRBS7数据流的抖动的不同估算
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来自:仪器与装备 / 仪器仪表
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