I metodi di acquisizione del segnale degli oscilloscopi digitali sono in generale suddivisi tra quelli in tempo reale e quelli in tempo equivalente. Mentre la differenza di utilizzo tra i due appare ovvia per effettuare alcune misure - prendiamo ad esempio la sequenza di accensione di un dispositivo - il confronto diventa più complicato per le applicazioni di misura che coinvolgono i dati seriali.
Mentre le ultime generazioni di oscilloscopi in tempo reale offrono una banda passante analogica significativamente più ampia che in passato, i ratei di trasmissione dei dati seriali, specialmente quelli di tipo ottico, hanno continuato ad aumentare in velocità senza che, ad oggi, si possa intravedere fino a quail velocità potranno arrivare. Ciò significa che sarà sempre più necessario essere pronti a soddisfare l'esigenza di poter disporre di una banda passante analogica sempre più ampia, unita ad una maggiore precisone di misura, tutte prestazioni da garantire nell'offerta di oscilloscopi a campionamento equivalente prevedibile per il futuro. Per scegliere lo strumento giusto per affrontare una particolare applicazione, è importante comprendere chiaramente i punti di forza e quelli di debolezza di ciascun tipo di strumento. Partiamo con il dare un'occhiata ad alcune applicazioni di collaudo dei dati seriali, anche in tecnologia ottica, per gli oscilloscopi in tempo equivalente
I fondamentali della tecnologia del campionamento
Sebbene ci siano una quantità di diverse implementazioni della tecnologia del campionamento, gli oscilloscopi digitali di oggi utilizzano due metodi di campionamenti di base: il campionamento in tempo reale ed il campionamento in tempo equivalente. Il campionamento in tempo equivalente può essere ulteriormente suddiviso in due sottocategorie: casuale e sequenziale. Ogni metodo ha dei distinti vantaggi, in funzione del tipo di misura che bisogna effettuare. Il campionamento in tempo reale è ideale per i segnali la cui gamma di frequenza sia meno della metà della massima frequenza di campionamento dell'oscilloscopio. In questo caso, l'oscilloscopio può acquisire in una sola “passata” una quantità di punti campionati più che sufficiente per ricostruire una rappresentazione accurata e fedele della forma d'onda che ci interessa. Il campionamento in tempo reale è una scelta ideale per catturare con un oscilloscopio digitale dei segnali rapidi, come i fenomeni transitori, che si verificano una sola volta. La banda passante (BW) “in tempo reale” è tipicamente relazionata alla frequenza di campionamento in questo rapporto: es. BW=Sample Rate / 2.5. Qualora si stiano misurando dai segnali ad alta frequenza, l'oscilloscopio può non essere capace di collezionare abbastanza campioni in una sola passata. Il campionamento in tempo equivalente ricostruisce la rappresentazione di un segnale ripetitivo, catturando solo una specifica “porzione” di informazione ad ogni acquisizione, che poi si ripeterà per acquisire un'altra porzione di segnale e così via. La forma d'onda si va quindi ricostruendo un passo per volta. Questo processo permette all'oscilloscopio di catturare con precisione dei segnali con delle componenti di frequenza di valore molto più elevato della frequenza di campionamento dell'oscilloscopio.
Modalità di acquisizione del segnale
Nel comparare le modalità di acquisizione, gli oscilloscopi in tempo reale hanno semplicemente delle prestazioni sufficienti allo scopo: infatti acquisiscono i campioni abbastanza rapidamente per ricostruire i signali entro la loro larghezza di banda e la loro gamma dinamica. Ciò significa che debbono campionare oltre il criterio di Nyquist, il che è vero: la loro frequenza di campionamento è più del doppio della loro larghezza di banda - ad esempio un campionamento di 50 Gs/s è sufficiente per un oscilloscopio da 20 GHz di banda passante analogica. Normalmente il clock del digitalizzatore dell'oscilloscopio è asincrono rispetto al dispositivo in prova. Nel caso dell'acquisizione di un flusso di dati seriali, ogni acquisizione sarà quindi catturata con una relazione di fase casuale tra il clock dei dati seriali, o del flusso di dati, e il digitalizzatore. Come vedremo più oltre, il trigger è spesso non essenziale. Oltre ad operare con modalità di acquisizione in tempo reale, molti oscilloscopi “real-time” supportano anche una modalità in tempo equivalente. Quando un oscilloscopio in tempo reale funziona con questa modalità, il digitalizzatore opera ancora non sincronizzato con il Dut, quindi la relazione di fase tra il digitalizzatore dell'oscilloscopio e il clock del Dut varia sempre casualmente, mentre si stanno catturando molte acquisizioni ripetitive dello stesso segnale. Ciò che è differente è che questa volta l'informazione relativa alla sincronizzazione con il trigger è essenziale, ed è usata per posizionare i punti acquisiti all'interno della registrazione, in riferimento al medesimo punto di trigger, il quale, nel caso di acquisizione di un dato seriale, vorrebbe essere in relazione fissa con il clock del Dut. Siccome si fanno parecchie acquisizioni, la spaziatura tra i campioni sarà inferiore a quella caratteristica del digitalizzatore e quindi la frequenza di campionamento apparente che ne risulta può facilmente raggiungere i TS/s. Dato che la fase dell'acquisizione è casuale, la modalità è chiamata tempo di campionamento equivalente casuale. Ciò significa che la spaziatura tra un campione e l'altro dimunisce casualmente con l'aumentare del numero delle acquisizioni, ma a rigor di termini ciò non è garantito, rimane casuale. Ora, per il tempo equivalente di un oscilloscopio sampling, il sistema di acquisizione è bloccato nel tempo rispetto al trigger. Per i dati seriali, il trigger è attivato sul segnale o sul clock del Dut ed i campioni acquisiti sono presi in sincronia con il trigger. Per l'acquisizione dei dati seriali ciò significa che esiste con il Dut una relazione di fase controllata. In altre parole, i campioni sono presi in una sequenza a partire da sinistra verso destra, in relazione di tempo o di fase incrementante a partire dell'istante di “trigger”, con una modalità propriamente nota con la definizione di “tempo di campionamento equivalente sequenziale”. Vale la pena di menzionare che il nome oscilloscopio “sampling” era sufficiente molto tempo fa (quando gli altri oscilloscopi erano analogici sia per la base tempi che per l'ampiezza verticale), ma oggi è irreparabilmente troppo generico, dato che tutti gli oscilloscopi operano prendendo dei campioni nel tempo, e quindi il nome sampling è un anacronismo. Altri termini come segnale o analizzatore di comunicazione, sono un poco più aggiornati ma sempre non molto specifici, per cui continua a persistere una certa qual confusione al riguardo dei nomi.
Campionamento casuale vs campionamento in tempo equivalente sequenziale
Come si è notato, molti oscilloscopi in tempo reale ad elevate prestazioni offrono la possibilità di acquisire anche in tempo equivalente, ma c'è una grossa differenza per confronto con gli oscilloscopi sampling tradizionali. Gli oscilloscopi in tempo reale usano l'acquisizione in tempo equivalente casuale, mentre gli oscilloscopi sampling dedicati, utilizzano il campionamento in tempo equivalente sequenziale. L'approccio casuale al tempo equivalente cattura i campioni con un clock asincrono (rispetto al trigger) e c'è un modulo capace di posizionare i campioni acquisiti. Il vantaggio è che ciò rende possible catturare i campioni prima dell'istante di trigger come tipicamente ci si aspetta da un oscilloscopio in tempo reale. Comunque, l'accuratezza del posizionamento dei campioni non considera ciò che è possibile usando l'approccio del tempo sequenziale equivalente. Il risultato può esssere un “occhio” degradato con un “jitter” più elevato. Mentre l'oscilloscopio in tempo equivalente sequenziale può solo acquisire i campioni dopo il trigger (a meno che si utilizzi una linea di ritardo), questo tipicamente non costituisce un argomento rilevante per molti test che includono dei dati seriali ad alta velocità.
Metodo di acquisizione dei ricevitori di dati seriali e dell'oscilloscopio
Il punto chiave per un ricevitore di dati seriali è che tutto dipende dalla relazione tra il clock del ricevitore e il dato. Per esempio, il flusso di dati che entra nel ricevitore può essere “jitterato”, ma se il recupero del clock segue l'andamento del jitter, e la relazione tra i dati e il clock è fissa, o resta confinata entro una piccola frazione dello “Unit Interval”, allora il dato può essere recuperato.
Lo strumento di misura dovrebbe anch'esso seguire questa logica, e quindi il flusso di dati seriali è tipicamente rappresentato in fase relativamente al clock del dato seriale. In un oscilloscopio in tempo reale il clock recuperato può essere generato mediante il software che elabora il flusso di dati catturato. Nel caso di un oscilloscopio a tempo equivalente, un flusso di dati catturati in tempo reale non esiste, quindi il clock recuperato non deve essere virtuale, è necessario il recupero di un vero clock hardware, simile a quello di un ricevitore reale.
Campionamento in tempo equivalente per i dati seriali
I “bit rates” molto elevati che si usano nelle comunicazioni di dati seriali, spesso sollecitano il sistema di acquisizione di un'oscilloscopio in tempo reale in termini di frequenza di campionamento disponibile. Se l'oscilloscopio acquisisce solo pochi campioni per UI di dati, l'acquisizione potrebbe ancora rimanere entro il criterio di Nyquist dello spettro del segnale, ma un limitato sovracampionamento sforza la capacità dell'oscilloscopio di interpolare correttamente i campioni necessari per ottenere un buon “occhio”, pienamente campionato. Inoltre esisterà sempre una piccola quantità di rumore elettrico, estesa oltre il criterio di Nyquist, che disturberà l'accuratezza dell'interpolazione, anche se è usato un algoritmo perfetto. Il campionamento in tempo equivalente può limitare o anche eliminare del tutto la necessità di qualsivoglia interpolazione, dato che la frequenza dell'acquisizione equivalente (virtuale) non è limitata dalla frequenza di campionamento del digitalizzatore e può perfino essere enorme. Per ottenere questo vantaggio bisogna però pagare un prezzo - come già detto sopra - è necessario il recupero hardware del clock. In aggiunta, il jitter dei dati catturati è appesantito dal jitter di fondo derivante dal recupero del clock”e dal percorso di trigger dell'oscilloscopio. Ciò significa che il jitter di fondo di una misura sarà peggiore di quello di una acquisizione in tempo reale. Su di un oscilloscopio in tempo reale vale la pena di sperimentare entrambi i metodi - la cattura in tempo reale e la cattura in tempo equivalente - per confrontare il compromesso ottenibile dall'uso dei due metodi. Un oscilloscopio in tempo equivalente sequenziale offre una possibilità di compromesso leggermente dfferente: il “trigger jitter” è stato minimizzato grazie ai continui sforzi, volti a ottenere questo risultato, operati dai progettisti di oscilloscopio, in maniera tale che il jitter di fondo non costituisca più una preoccupazione eccessiva. Si aggiunga che, siccome la larghezza di banda disponibile è tipicamente molto più ampia dello spettro del segnale del Dut, il “roll off” della larghezza di banda dell'oscilloscopio non è visibile nella risposta acquisita dal dispositivo in prova. Senza più il problema costituito dall'interpolazione verticale e con il rumore di fondo degli oscilloscopi disponibili abbastanza basso, l'oscilloscopio in tempo equivalente offre la modalità più accurata per caratterizzare la forma d'onda dei dati seriali. Il compromesso è un'altra considerazione, vale a dire la limitata utilizzabilità dell'oscilloscopio a campionamento a tempo equivalente sequenziale per eseguire misure meno repititive o non ripetitive del tutto.
Punto di trigger, punto di trigger-counter
In funzione della predisposizione del Dut per la misura, un clock prelevabile dal Dut potrebbe eventualmente essere disponibile e allora ci sarebbe anche la tentazione di usare quel segnale come il riferimento nel tempo per la misura. Questo sarebbe pratico - risparmando la necessità del recupero del clock - ma genererebbe dei problemi suoi propri, che dovrebbero essere ben compresi prima di procedere oltre. Nel caso di un oscilloscopio in tempo reale l'acquisizione relativa al segnale dell'hardware clock fornito dal Dut o la predisposizione per la misura del Dut stesso, può condurre ad una rappresentazione del segnale eccessivamente positiva. Questo perchè l'oscilloscopio in tempo reale è “triggherato” istantaneamente e gli “Interval unit error” non si accumuleranno, almeno non esattamente, in corrispondenza del punto di trigger. Invece il circuito di recupero del trigger del Dut (ricevitore) non segue istantaneamente gli errori del clock del segnale, per cui qualche accumulo di “itter si può verificare. Il risultato quindi può essere leggermente fuori, qualora si osservi lo schermo di un oscilloscopio in tempo reale. Questa considerazione rimane valida anche con un oscilloscopio in tempo reale che stia funzionando in modalità tempo equivalente casuale. In tal caso è meglio adottare un metodo di acquisizione più stringente, usando un trigger avanzato e scegliere un circuito di clock recovery o un Pll con dei parametri simili a quelli del Dut, oppure verificare la stabilità del clock del segnale di trigger in altro modo, inserendo un apposito ulteriore passo nella procedura di verifica del Dut. Nel caso di un oscilloscopio a tempo equivalente sequenziale, un certo ammontare di accumulo del jitter potrebbe essere introdotto inconsapevolmente dalla presenza di un tempo “trigger-to-sample” lungo o molto lungo e infatti questo metodo può anche essere parzialmente usato dagli oscilloscopi in tempo reale. Ancora una volta, comunque, un completo recupero del clock (questa volta per forza in hw) è un percorso affidabile da seguire per mettersi nelle condizioni di vedere ciò che vedrà il ricevitore.
Comprendere il jitter
Con queste considerazioni tenute bene in mente, l'oscilloscopio a campionamento in tempo equivalente equipaggiato con la funzionalità di recupero del clock può essere uno strumento utile per analizzare il comportamento del jitter nei progetti comprendenti dei dati seriali, come una alternativa “golden” alla quale riferirsi, rispetto agli oscilloscopi in tempo reale.
Per esempio, con un oscilloscopio in tempo equivalente opportunamente preparato, il “diagramma ad occhio” della funzione della probabilità di distribuzione, mostra la probabilità statistica della chiusura dell'occhio. Nonostante la sua apparente somiglianza con i diagrammi ad occhio convenzionali, il “Pdf Eye” non è solo il riportare l'occorrenza dei campioni, e non si chiude con l'aumento del tempo di acquisizione. Mentre l'occhio è ancora una rappresentazione dello UI di un segnale digitalizzato orizzontalmente e verticalmente entro un diagramma ad alta risoluzione, la terza dimensione è la probabilità calcolata di una successiva acquisizione, di centrare un punto in particolare. Il “Pdf Eye” predice l'esito del Ber (Bit error ratio) non mediante la “forza bruta” - acquisizione di un vasto quantitativo di dati - ma mediante l'uso delle capacità di campionamento per caratterizzare la forma della distribuzione. Distribuzioni dopo distribuzioni sono accumulate finchè tutte le componenti del jitter e del rumore elettrico sono misurate e le loro Pdf conosciute con un elevato grado di accuratezza. In questo modo la predizione di un Ber di 1 x 10-18 diviene possibile attraverso l'intero occhio.
Applicazioni per un oscilloscopio a tempo equivalente
Gli oscilloscopi a tempo equivalente sequenziale forniscono uno strumento versatile per sviluppare e collaudare le comunicazioni ad alta velocità, i computer e l'elettronica di consumo che implichi la tramissione di dati “multi-gigabit”. Sono utilizzati per la caratterizzazione dei trasmettitori ottici ed elettrici, così come per la verifica di dispositivi, moduli e sistemi usati in questi prodotti. Inoltre, questi oscilloscopi sono particolarmente adatti per la caratterizzazione del percorso dei segnali elettrici, sia per i “package”, sia per i circuiti stampati o per i cablaggi elettrici. Con una eccezionale larghezza di banda, un'ottima fedeltà del segnale, e una architettura modulare, questi strumenti forniscono la possibilità di effettuare analisi con la tecnica Tdr e di analizzzare le interconnessioni, di effettuare una analisi dettagliata del disaccoppiamento di segnale e il calcolo del Ber per le tecnologie dei dati seriali attuali e anche per quelle emergenti. Inoltre, gli oscilloscopi “sampling” rappresentano lo standard di riferimento per le applicazioni elettriche ed ottiche che richedono larghezze di banda ultra-elevate, una risoluzione verticale molto fine, un basso jitter e una buona accuratezza nella misura dell'intervallo di tempo.
