S olutions. Quelle bande passante? INSTRUMENTATION ÉLECTRONIQUE

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1 S olutions INSTRUMENTATION ÉLECTRONIQUE Oscilloscopes hyper : le temps Il y a quelques années, il était relativement facile de choisir entre un oscilloscope temps réel et un oscilloscope à échantillonnage séquentiel. Ce n est plus aussi simple aujourd hui, compte tenu de la montée en fréquence des oscilloscopes temps réel (dont la bande passante va désormais au-delà de 15 GHz). Mais il ne faut pas être obnubilé par la bande passante. Si celle-ci est souvent le critère déterminant, il ne faut pas ignorer les autres, plus subtils. Avant de choisir un des deux types d oscilloscopes (ce qui suppose que l on a le budget pour envisager l achat d un modèle temps réel ), il faut bien identifier ce que l on souhaite mesurer et dégager les priorités. Ces dernières années, les oscilloscopes numériques ont accompli d énormes progrès au niveau de la bande passante et certains modèles vont aujourd hui au-delà de 15 GHz. Du coup, ils viennent sur le terrain traditionnellement réservé aux oscilloscopes dits à échantillonnage. En simplifiant, rappelons que l oscilloscope temps réel s apparente à un convertisseur analogique-numérique ultrarapide qui doit, pour acquérir un signal rapide, posséder une fréquence d échantillonnage A/N significativement plus rapide que les données. Avec des fréquences d échantillonnage dépassant désormais L essentiel Les oscilloscopes à échantillonnage séquentiel n avaient pas de concurrence pour les analyses de signaux supérieurs à 10 Gbit/s Les oscilloscopes temps réel, dont les bandes passantes approchent les 20 GHz, arrivent sur leur terrain A bande passante équivalente, ces deux types d oscilloscopes ne sont pas équivalents pour la mesure de certains paramètres du signal Le prix est également à considérer : les modèles temps réel sont nettement plus onéreux 40 Gé/s, on parvient à des bandes passantes de l ordre de 15 GHz. Quant à l oscilloscope à échantillonnage en temps équivalent, il numérise et affiche les signaux lui aussi, mais avec une fréquence d échantillonnage inférieure à 1 Méch./s. Il procède à une reconstruction du signal à partir de multiples observations d un même signal (ils prennent un échantillon toutes les n périodes du signal ; ces échantillons sont décalés les uns par rapport aux autres, de sorte qu il est possible de reconstituer le signal initial) : il doit donc se limiter à l examen de signaux répétitifs ou pour lesquels une référence temporelle synchrone sert à déclencher l oscilloscope. Cette approche présente un avantage majeur : malgré une fréquence d échantillonnage faible, on dispose de bandes passantes de mesure extrêmement larges, pouvant dépasser 80 GHz (bien entendu, de par son principe, cette technique n est valable que pour les signaux périodiques). Pendant longtemps, ces deux catégories d oscilloscopes avaient leurs propres champs d application et il était facile de choisir. Pour tester des signaux à très haute vitesse, il fallait pouvoir disposer d une bande passante élevée que seul l oscilloscope à échantillonnage pouvait offrir. Mais dans la mesure où certains oscilloscopes temps réel offrent maintenant une bande passante à deux chiffres (en gigahertz), faire un choix entre un oscilloscope temps réel et un oscilloscope à échantillonnage séquentiel n est plus aussi évident, d autant que les deux types comportent désormais des gammes de fonctionnement qui se chevauchent largement. Se baser exclusivement sur un critère de bande passante de mesure signifierait donc se priver d une bonne partie des subtilités offertes. Il n en demeure pas moins que la bande passante représente de toute évidence une considération primordiale, car si l oscilloscope ne dispose pas de la bande passante nécessaire pour reproduire fidèlement le signal, les autres considérations ne tiendront vraisemblablement pas. Quelle bande passante? Pour bien comprendre la notion de bande passante requise, le plus simple est de prendre un exemple, en l occurrence les signaux de données NRZ série numériques avec horloge embarquée. Pour un débit binaire donné, la séquence produit une onde carrée dont la fréquence est égale à la moitié du débit. Par exemple pour une liaison Fibre Channel à 8,5 Gbit/s, la fréquence fondamentale de la séquence est de 4,25 GHz. Pour étudier un tel signal, un oscilloscope 5 GHz n est pas utilisable. En effet, le spectre d un signal carré comporte des harmoniques. Pour le signal en question, l harmonique de rang 3 est à 12,75 GHz, l harmonique de rang 5 est à 21,25 GHz. Si la bande passante de l oscilloscope utilisé Deux principes Dans les oscilloscopes à échantillonnage temps réel, tous les échantillons du signal sont acquis sur le déclenchement. L intervalle entre les échantillons est dicté par la fréquence d échantillonnage de l oscilloscope, qui doit être un multiple de la bande passante de l oscilloscope pour éviter le repliement et acquérir toutes les informations du signal. Dans un oscilloscope à échantillonnage séquentiel, un seul échantillon est capturé sur chaque événement de déclenchement. A chaque déclenchement successif, on fait avancer le point temporel de l échantillon. L enregistrement du signal se bâtit sur de nombreux déclenchements successifs. La fréquence maximale est inférieure à 1 MHz. 38

2 réel fait de son mieux, mais Les oscilloscopes à échantillonnage (ci-dessus) montent beaucoup plus haut en fréquence que les oscilloscopes dits temps réel (cicontre) et les deux familles ont donc chacune leur propre champ d application. Mais les oscilloscopes temps réel repoussent sans cesse leurs limites et leur bande passante dépasse aujourd hui les 15 GHz, de sorte qu ils entrent sur le territoire des modèles à échantillonnage... n est pas suffisante, certaines harmoniques ne sont pas prises en compte et le signal observé n est plus une réplique exacte du signal d entrée. Si les composantes spectrales supérieures sont coupées, des éléments importants comme les temps de montée et de descente sont ralentis, le dépassement et les oscillations sont supprimés. Autre critère déterminant pour la bande passante : la nécessité de mesurer avec précision les temps de montée et de descente. Si ces temps sont relativement importants, les deux types d oscilloscopes n auront pas de difficulté à afficher ces temps. Si par contre, ils sont courts, disons une dizaine de picosecondes, l oscilloscope temps réel les représentera avec une erreur grossière Sur chaque oscilloscope, on finit par atteindre un point où c est le temps de montée de l oscilloscope, et non celui du signal, qui est mesuré. Les oscilloscopes temps réel d aujourd hui sont capables de mesurer des temps de montée et de descente de 40 ps avec une erreur inférieure à 5 %. Pour mesurer des temps de montée et de descente plus rapides, il faut un oscilloscope à échantillonnage séquentiel. Si la bande passante de l oscilloscope est insuffisante pour suivre le front montant et descendant du signal, cela se traduit aussi par une fermeture du diagramme de l œil. Tout problème d oscillation ou de dépassement sur le front montant ou descendant sera nettement visible sur l oscilloscope à échantillonnage, mais pas sur l oscilloscope temps réel. Il est intéressant de noter que dans les mesures de conformité des émetteurs-récepteurs optiques, la bande passante de l oscilloscope est réduite délibérément à une valeur 3 db à 75 % du débit, ce qui élimine presque entièrement les harmoniques d ordre supérieur. Cette méthode, qui peut d abord sembler erronée pour la validation de la performance, doit cependant être vue dans le contexte de l objectif du test, qui est de déterminer si l émetteur fonctionnera dans le système de communications. Comme le récepteur du système n a pas une bande Débits binaires et contenu de signaux de données série Technologie et débit binaire associé Fréquence fondamentale de la séquence e harmonique de la fondamentale 5 e harmonique de la fondamentale Fibre Channel 4,25 Gbits/s Fibre Channel 8,5 Gbits/s OC-48 9,95 Gbits/s 2,25 GHz 6,75 GHz 11,25 GHz 4,25 GHz 12,75 GHz 21,25 GHz 4,98 GHz 14,93 GHz 24,9 GHz Les cases jaunes grisées mettent en évidence les possibilités d analyse d un oscilloscope temps réel présentant une bande passante de 13 GHz. 39

3 Mesure d un temps de descente de 15 ps sur les deux types d oscilloscopes Oscilloscope à échantillonnage séquentiel, bande passante 50 GHz Ces illustrations permettent de comparer les temps de descente d un oscilloscope à échantillonnage séquentiel présentant une bande passante de 50 GHz et d un oscilloscope temps réel ayant une bande passante de 10 GHz. Les deux s accordent parfaitement sur le temps de descente de 46 ps, mais l oscilloscope temps réel présente une erreur grossière sur celui de 15 ps. Temps de descente mesuré :15ps Temps de descente mesuré : 30ps Mesure d un temps de descente de 46 ps sur les deux types d oscilloscopes Oscilloscope à échantillonnage séquentiel, bande passante 50 GHz Temps de descente mesuré : 46ps Temps de descente mesuré : 46ps 40 Bande passante nécessaire pour obtenir la précision désirée Temps de transition Précision 3 % Précision 5 % Précision 10 % 100 ps 5,6 GHz 4,8 GHz 4 GHz 75 ps 7,5 GHz 6,4 GHz 5,3 GHz 50 ps 11,2 GHz 9,6 GHz 8 GHz 30 ps 18,7 GHz 16 GHz 13,3 GHz Bande passante requise pour mesurer les temps de montée et de descente avec une précision donnée passante très large, il est logique de tester l émetteur dans les mêmes conditions. Pour connaître la performance brute du laser, vous pouvez augmenter la bande passante. Quelle est la tâche à accomplir? C est une évidence, mais il n est pas inutile de la rappeler : pour tout travail, il faut choisir son outil en fonction de la tâche à accomplir. Une scie sauteuse n est pas très efficace pour abattre un arbre, mais vous auriez beaucoup de mal à faire la découpe d une serrure avec une tronçonneuse. C est la même chose pour le choix de l oscilloscope à utiliser : il faut commencer par se deman-

4 Diagramme de l œil 5 Gbits/s Oscilloscope à échantillonnage séquentiel, bande passante 50 GHz Oscilloscope à échantillonnage séquentiel, bande passante 50 GHz der ce que l on veut faire avec. Peut-être allez-vous répondre : Tout!. Auquel cas, il faut reformuler la question : Quelles sont les tâches essentielles à réaliser? Mesure de l intégrité du signal. S il s agit en priorité de mesurer les temps de montée et de descente, le retard de propagation et les aberrations, y compris le dépassement, les oscillations et les échos, la bande passante est le critère de choix dominant de l oscilloscope. Il est bien entendu préférable d éviter d avoir une bande passante trop juste. Mais il faut aussi se garder de l excès inverse (la bande passante a une incidence importante sur le prix d un oscilloscope). Si on a un ratio supérieur à 10X entre la bande passante de l oscilloscope et le contenu fréquentiel du signal, cet excès de bande passante n apporte aucun avantage supplémentaire. Pour caractériser l intégrité du signal, il est important de s attacher à la précision des mesures de bruit et de tension du signal. Les oscilloscopes à échantillonnage séquentiel ont un plancher de bruit typique de l ordre de 250 µveff, tandis que celui d un oscilloscope temps réel 12 GHz est de 350 µveff. Diagramme de l œil 13,5 Gbits/s Ces illustrations montrent les diagrammes de l œil observés pour différents débits binaires, sur un oscilloscope à échantillonnage séquentiel 50 GHz et sur un oscilloscope temps réel 10 GHz. A 13,5 Gbits/s, l œil s effondre en une onde sinusoïdale sur l oscilloscope temps réel 12 GHz. Tout problème d oscillation ou de dépassement sur le front montant ou descendant sera nettement visible sur l oscilloscope 50 GHz, mais pas sur l oscilloscope 10 GHz. Autres chiffres, les oscilloscopes à échantillonnage séquentiel ont une résolution typique de 9 bits que le moyennage permet de porter à 15 bits et plus pour les signaux répétitifs. Les oscilloscopes temps réel ont une résolution typique de 8 bits pouvant aller jusqu à 12 bits avec le moyennage. Le bruit plus faible et la précision accrue de l oscilloscope à échantillonnage peuvent s avérer utiles pour la mesure de petits signaux ou l examen d anomalies subtiles des signaux. Mesure de la gigue. Les deux types d oscilloscope sont proposés avec des fonctionnalités de mesure de gigue qui offrent une visibilité bien utile sur la nature de la gigue et ses causes possibles. Par ailleurs, les facteurs qui contribuent à la précision d analyse du signal s appliquent aussi à l analyse de gigue. Une bande passante insuffisante et/ou un bruit excessif par rapport au signal sous test peuvent dégrader la précision de la mesure. Si on a besoin d analyser la gigue de phase entre cycles, il ne faut pas oublier que seuls les oscilloscopes temps réel sont capables d effectuer cette mesure qui exige l acquisition de cycles successifs en temps réel. Jusqu à une date récente, il était difficile, avec un oscilloscope à échantillonnage d évaluer la gigue due aux interférences entre symboles (ISI). Rappelons que dans les applications télécoms, l ISI (intersymbol interference) se manifeste lorsqu un signal reçu par un récepteur comporte des chevauchements entre les impulsions (dus par exemple à la présence d échos qui viennent se superposer au signal de base), au point que le récepteur ne peut plus vraiment distinguer les changements d état du signal utile. Désormais, certains modèles d oscilloscopes à échantillonnage séquentiel permettent de séparer la gigue aléatoire de la gigue déterministe, en composantes ISI. Cette méthode d analyse nécessite une séquence répétitive. La résolution élevée et la large bande passante de l oscilloscope à échantillonnage en font en tout état de cause la méthode la plus précise pour une analyse détaillée de la séparation de gigue (alors qu un oscilloscope temps réel mesure la gigue sur des données aléatoires). Du point de vue du diagnostic, l oscilloscope temps réel présente l avantage d afficher la tendance de la gigue corrélée temporelle- Paramètre ou caractéristique Modèle temps réel Modèle séquentiel Bande passante maxi 18 GHz 80 GHz Plancher de bruit ~ 350 µv ~ 250 µv à 13 GHz Déclenchement sur le signal d entrée de voies Monocoup* Oui Non Temps négatif** Oui Oui Non (nécessite un signal de déclenchement séparé) Non (sauf si une ligne à retard a été ajoutée sur le trajet du signal) *acquisition de toutes les données de signal sur un seul déclenchement - **acquisition du signal avant déclenchement 41

5 Oscilloscopes temps réel où à échantillonnage ment avec le signal capturé en temps réel, offrant ainsi une visibilité sur la cause de la gigue dépendante des données. Vérification de l intégrité du signal. Certains oscilloscopes temps réel équipés de modules d analyse de données série sont capables de décoder les données série pour afficher des données codées 8b/10b. Ils peuvent également effectuer une recherche sur des séquences spécifiées jusqu à 4 symboles, puis déclencher sur ces séquences. Si, par exemple, on constate à l observation que des défauts d intégrité du signal semblent se produire après un symbole virgule, l oscilloscope peut rechercher toutes les instances du symbole virgule et vérifier cette hypothèse. A l étape suivante, on pourra décider de déclencher l oscilloscope sur les symboles virgule pour valider cette hypothèse. Tests de conformité. Certains standards de données série tels que PCI Express et SATA spécifient des procédures pour mesurer la gigue et les ouvertures de l œil. Ces deux standards ainsi que quelques autres nécessitent l acquisition par un oscilloscope temps réel d un nombre spécifique d intervalles unitaires en série, puis la récupération du signal d horloge dans le logiciel. Ces tests de conformité nécessitent évidemment un oscilloscope temps réel. Les transmissions à vitesse élevée sur fibre optique nécessitent des oscilloscopes à frontal optique. Les bandes passantes des convertisseurs optiques/électriques sont soumises à des spécifications pointues, propres à chaque débit. Il est a priori possible d utiliser aussi bien un oscilloscope à échantillonnage qu un oscilloscope temps réel, mais l industrie a tendance à faire fonctionner les émetteurs ou les équipements réseau à différents débits, souvent très élevés (à 10 Gbits/s), et c est par conséquent l oscilloscope à échantillonnage qui offre une couverture complète. Des conditions similaires peuvent s appliquer aux ports électriques d équipements de communications. Avant de choisir un modèle d oscilloscope, il faut consulter la documentation des fabricants pour vérifier s ils proposent un logiciel de test de conformité ou de test de gabarit adapté au standard utilisé. Le prix des matériels peut être le critère de choix définitif. Pour une même bande passante, le prix d un oscilloscope à échantillonnage séquentiel peut être de 25 à 50 % de celui d un oscilloscope temps réel. Art Porter et Greg LeCheminant Ingénieurs support Agilent Technologies 42