Messen mit dem Oszilloskop Bandbreite und Anstiegszeit von seriellen Datensignalen ermitteln

Es gibt zwei Parameter, um jene Bandbreite von Oszilloskopen zu bestimmen, die für Messungen an seriellen Datensignalen nötig ist: die Bitrate der seriellen Signale oder auf deren Anstiegszeit. Im Klartext bedeutet dies, der Messtechniker muss genau prüfen, wie die Bandbreite Form und Qualität eines Augendiagramms beeinflussen wird. Seine Messaufgabe kann er mit einem Echtzeitoszilloskop erledigen, aber auch mit einem Sampling-Gerät, denn erstmals gibt es Sampling-Oszilloskope, die selbst Jitteranalysen un-terstützen.

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Will ein Messtechniker mit einem Oszilloskop serielle Datensignale messen, steht er vor der Frage, wie hoch die Bandbreite seines Messinstruments für Messungen dieser Art sein muss. Die Antwort darauf ist nicht einfach. Aus Bequemlichkeit wird er häufig nach einem Gerät mit möglichst hoher Bandbreite greifen.

Die höchste Bandbreite besitzen traditionell Sampling-Oszilloskope. Diese Geräte sind unübertroffen in der exakten Darstellung von Augendiagrammen. Ihr Nachteil: Sie verfügten bisher über wenig Messmöglichkeiten oder unter-stützten keine Jitter-Analyse.

Falls der Messtechniker diese Einschränkungen nicht in Kauf nehmen möchte, entscheidet er sich für ein Echtzeitoszilloskop mit der höchsten Bandbreite am Markt. Schnell wird er dabei herausfinden, dass die Unterschiede in der maximalen Bandbreite gar nicht so gravierend sind. Gerätehersteller wie Agilent, LeCroy und Tektronix liefern Modelle mit 11, 12 und 13 GHz Bandbreite. Einige Instrumente bringen es derzeit sogar auf 15 GHz. Möglich machen dies entsprechende Softwareoptionen, die die Bandbreite mittels Digital Signal Processing (DSP) erhöhen. Nachteil hier: Diese Geräte sind keineswegs preiswert. So kostet ein GHz Bandbreite in einem High-End-Oszilloskop umgerechnet etwa 9000 Euro – unabhängig davon, ob es sich um die echte Bandbreite handelt oder um eine, die durch DSP erzielt wurde.

Sampling-Osziloskope bis 100 GHz

Im Allgemeinen kann man anhand von zwei Parametern die erforderliche Bandbreite bestimmen. Ein Parameter ist die Anstiegszeit, der andere die Bitrate der seriellen Datensignale. Mit Blick auf die Anstiegszeit kann der Messtechniker den Messfehler der Anstiegszeit als Funktion für die Signalanstiegszeit bei verschiedenen Bandbreiten berechnen. Er wird dabei jedoch feststellen, dass zur genauen Messung der Anstiegszeit viel höhere Bandbreiten notwendig sind, als jene, die bei den aktuellen Echtzeitoszilloskopen derzeit tatsächlich erhältlich sind. Einen Ausweg liefert hier ein Sampling-Oszilloskop – beispielsweise das Modell Wave-Expert von LeCroy mit einer Bandbreite bis 100 GHz.

Hinsichtlich der Bitrate nimmt man an, dass die Oszilloskopbandbreite min-destens doppelt so hoch sein soll wie die Bitrate des seriellen Datensignals. In Datenblättern ist sie mitunter mit dem Faktor mit 1,8 angegeben – vor dem Hintergrund, dass Echtzeitoszilloskope mit hoher Bandbreite einen stark abfallenden Frequenzgang zeigen, sobald sie die Grenzbandbreite erreicht haben.

Bitrate nutzt zufälliges Bitmuster

Dieser Parameter stützt sich auf die Annahme eines zufälligen Bitmusters, das durch einen Kanal mit be-grenzter Bandbreite läuft. Eine begrenzte Kanalband-breite verringert die An-stiegszeit und damit auch die Leistung in den höheren Harmonischen im Signal. Besitzt das serielle Datensignal relativ gesehen zur Grundfrequenz bei halber Bitrate wenig Leistung in den höheren Harmonischen, reicht es, die ersten beiden Harmonischen im Leistungs-spektrum zu erfassen, um das Signal adäquat zu erfassen und entsprechende Augendiagramme mit geringen Verzerrungen darzustellen.

Die Voraussetzung „Bandbreite doppelt so hoch wie Bitrate“ in Bezug auf Oszilloskopbandbreite und Bitrate hält auch einer genaueren Überprüfung stand, denn serielle Datensignale verfügen über Anstiegszeiten von 25% des Unit Intervalls. Dies entspricht einer Bandbreite von etwa der doppelten Bitrate. Zu berücksichtigen ist, dass Signale häufig über einfache Materialien in Schaltungen laufen, die aufgrund des Skin-Effektes und dielektrischer Verluste die Bandbreite einschränken.

Die ersten beiden Harmonischen werden erfasst

Gültigkeit erhält dieser Parameter im Hinblick auf eine reduzierte Anstiegszeit und die Deformierung des Auges. Um diese Effekte zu quantifizieren, ist es sinnvoll, die spektrale Leistungsdichte des seriellen Datenstandards zu untersuchen. In Bezug auf die aktuellen Standards Serial ATA (SATA), Serial Attached SCSI (SAS) und PCI Express lässt sich zeigen, dass ein Oszilloskop mit mindestens 10 GHz Bandbreite immer die ersten bei-den Harmonischen des Leistungsdichtspektrums erfasst. Die 3. Harmonische beträgt bestmöglich –20 dB bzw. stellt sie eine Harmonische von etwa 10% dar.

Darüber hinaus kann der Messtechniker die Auswirkungen der Oszilloskopbandbreite in Bezug auf Serial Data Bit Rate und Anstiegszeit simulieren. Entsprechende Simulationswerkzeuge auf Softwarebasis bietet beispielsweise ebenfalls LeCroy.

Peter J. Pupalaikis ist Principal Technologist der Serial Data Division bei LeCroy in Chestnut Ridge, New York, USA.

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