1. 考慮高速串行數據的測量帶寬

在測量高速串行數據信號和設備時，無論是出于合規性、設計目的還是故障排除目的，測量帶寬都是一個重要問題。相對于信號的頻率成分，測量示波器可以有很大或很小的帶寬。特定標準的正確帶寬是多少？這種關系隨著最近的標準發生了怎樣的變化？

在這里，我們將回顧規定測量帶寬的基本原理，以及該基本原理如何隨著最新標準的發展而演變。

高速串行數據信號的基本頻譜特性（圖 1）顯示了信號奇次諧波處的能量特征波瓣。基波（1 次諧波）在 f Baud 的 1/2 處，其中 f Baud 是數值上等于信號符號率的頻率，例如，對于 53 GBd 的信號， f Baud 是 53 GHz；奈奎斯特頻率 f Nyquist為 53 GHz 的 1/2。

被測設備或 DUT（藍色）的信號明顯迅速下降，并且沒有可見超過 2 次諧波的可用能量。這是 10 秒 GBd 信號的理想特性：遠超過 f Nyquist 的高速能量對于信息傳輸并不重要：電通道無論如何都會抑制它；此外，它可能會導致額外的不良串擾。最后，與在必要的最小值（即奈奎斯特頻率）之后很快滾降的接收器設計相比，嘗試恢復高度抑制的能量會過于嘈雜并且會產生更高的錯誤率。

相比之下，高速實驗室信號源（綠色）可能具有更高的能量瓣。然而這也是學術性的——這個源被過度設計了，它會產生太多超出典型 DUT 發射器 (Tx) 的能量，而且它的能量甚至不會傳播到 DUT，除非使用極高速的連接器和電纜。

圖 1. 幅度調制信號的基本頻譜特性；還顯示了 Bessel-Thomson 4 階濾波器（紅色）的響應，其帶寬與 f Nyquist匹配，  即PAM4 參考濾波器使用的0.5 * f Baud 。

如前所述，BERT 信號（圖 1 中的綠色跡線示例）在其豐富的高頻能量方面是極端的，高出奈奎斯特頻率的許多倍。但既然能量存在，我們需要測量它嗎？

隨著時間的推移，各種標準都在努力解決這個問題，并制定了推薦正確帶寬的規則。舉例來說，我們將使用 IEEE 802.3 有線/基于光纖的信令來討論這個問題。

高速電氣 IEEE 802.3 標準中所需測量帶寬的發展如圖 2 和圖 3 所示；請注意時間范圍（以年為單位）是近似值。

圖 2. 隨時間變化的電氣標準測量帶寬（大致時間表）

圖 3. 隨時間變化的光學標準測量帶寬（大致時間表）

比較清楚地表明測量帶寬隨著時間的推移而減少：為什么？

今天的電信號（從 Tx 到接收器或 Rx）比以前在 NRZ (PAM2 NRZ) 信號中更受媒體（信號傳播的有損通道）的帶寬限制。請注意，在 PAM4 信號中，眼圖的大小現在僅為整個振幅擺動的 1/3 左右。

同樣有趣的是，在光信號中，測量帶寬相對于電子介質來說已經明顯變慢了好幾年。讓我們看看為什么。

2. 為什么測量帶寬會隨著時間的推移而減少

在較舊、更簡單的系統中，來自發射機的信號不會在通道中遭受大量損失。接收器可以直接或僅通過光均衡恢復合理張開的眼圖。參見圖 4。

圖 4. 簡單的電氣連接；請注意，遠端眼睛仍然大部分打開

相比之下，以高于 f/f波特率 運行的復雜系統正在恢復超過奈奎斯特頻率的非常小的信號。必須付出很大的努力，而且如果沒有大量的 RF 增益，眼圖通常不會張開。然而，較大的射頻增益會以噪聲放大的形式出現問題——噪聲會導致傳輸錯誤。

圖 5. 復雜的電氣鏈路；請注意，遠端眼仍完全閉合（右起第3個）

由于更復雜的傳輸系統（圖 5）必須執行復雜的均衡，即具有更大增益的均衡，因此該系統還必須濾除在高頻（即高于奈奎斯特的頻率）處發現的大部分噪聲。當傳輸信道有高損耗時，這種快速帶寬限制提高了噪聲性能。

3. DUT 接收機帶寬與測量帶寬的關系

測量帶寬的指導原則是測量應該只觀察比 DUT 接收器稍大的頻譜窗口。

在過去使用的更簡單的系統中，這通常由 5 次諧波規則暗示。在當今更復雜的系統中，（如上所示）通道表現出很大的損耗（f/f Baud的一小部分），DUT Rx 必須通過更急劇地滾降來嚴格限制高頻噪聲。這將在測量系統中通過降低測量帶寬（例如降低到 3 次諧波范圍）在某種程度上近似。

3.1。四階貝塞爾-湯姆遜系統的作用

另一個考慮因素是，由于最新的（例如 PAM4）系統在高度噪聲限制的數據恢復下運行，因此測量設備的滾降必須不會在信號的時域視圖中出現偽影。因此，示波器內置的低通濾波器必須在時域中沒有振鈴或大的過沖。出于這個原因，標準要求使用 4 階 Bessel-Thomson 濾波器。這是針對平滑相位響應和平滑電壓轉換優化的濾波器設計。除了指定濾波器外，該標準還要求該濾波器必須經過 -3 dB 點，即，如果指定了 40 GHz Bessel-Thomson 四階濾波器，并不意味著 40 GHz DUT 示波器可用; 實際上，

參見圖 1，紅色跡線，用于匹配信號信號速率的 Bessel-Thomson 4 階濾波器（f Nyquist時為 -3dB ，如典型的 PAM4 標準。觀察在信號滾降與紅線 Bessel-Thomson 4 濾波器。

這對今天的標準意味著什么？

4. 2021 / 2022 年最快標準

電氣標準。預計 IEEE 802.3ck 將在 2021 年完成最快的實用電氣標準之一，每通道的數據吞吐量為 100 Gb/s，并提供 400GBASE-CR4 或 400GBASE-KR4 或 400GAUI-4 等變體，并且最終批準可能在 2022 年年中。這些標準的信令符號率為53.125 GBd，因此信號的奈奎斯特頻率為25.5625 GHz。

預計該標準將要求示波器測量帶寬為 40 GHz（即 -3 dB）四階 Bessel-Thomson 濾波器，并在 55 GHz 附近結束受控滾降。這種采集速度將足以捕獲大部分信號及其潛在的保真度問題，同時不會因超出 DUT 接收器中實現的帶寬而損害測量信號的 SNR。

OIF-CEI 標準使用相同的概念，但使用略有不同的過濾器。我們將在以后的帖子中討論這個問題。

光學標準。作為 400GBASE-DR4 標準背后的 IEEE 802.3bs 工作的一部分，使用 PAM4 信令（也稱為光學直接檢測 PAM4 NRZ）測量光信號已經建立了好幾年。在光信令中，對接收器帶寬的考慮不同于在例如 IEEE 802.3ck 中存在的電信號。在 53 GBd 時，單模光纖中的光信號經歷的帶寬滾降相對較小（相對于電信道），因此均衡過程更簡單，短鏈路上的反射影響更小，因此光接收器不會受到這種反射的嚴重影響。由于這些鏈路屬性，光學標準規定的測量帶寬僅為 0.5*f波特，即在奈奎斯特頻率下，在接收器的電氣側測量。

結果證明這是一個 Bessel-Thomson 濾波器，其電氣帶寬為 26.5625 GHz，適用于 53 GBd 信號；在典型的單模系統中，受控滾降的結束時間剛剛超過 60 GHz。

為什么在光學標準中存在電氣帶寬和光學帶寬的差異？光接收器中的光電轉換使光側和電側之間的功率關系平方；因此，光帶寬不同于 - 高于 - 電帶寬。（帶寬是全功率的一小部分；典型 O/E 的平方定律會改變該比率。）光學帶寬不用于指定 Bessel-Thomson 濾波器和奈奎斯特頻率之間的關系。

在某些情況下，光鏈路在電子設備中“不惜一切代價”地強調容量（例如，非常昂貴的鏈路，例如大陸之間的海底鏈路）。然后，整個設計（包括信號滾降）主要關注頻譜效率以及發射器能量和測量工具的更急劇滾降。

結論

對于高速標準，高速串行數據系統中的測量帶寬（作為符號速率的一部分）低于過去均衡標準較低的帶寬。這一發展只是證實了鏈接設計人員今天必須做出的設計權衡。測量的帶寬約為 0.5 * f波特，在大多數標準中以四階 Bessel-Thomson 濾波器的時域友好方式滾降。未來可能會出現稍快的下滑。