Oscilloscopes hyper : le “temps réel” fait de son - Mesures

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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 1-0-1-0 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 1-0-1-
0 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.
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éel” 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 1-0-1-0
3 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.
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Solutions
Mesure d’un temps de descente de 15 ps sur les deux types d’oscilloscopes
Oscilloscope à échantillonnage séquentiel,
Oscilloscope temps réel,
bande passante 50 GHz
bande passante 10 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,
Oscilloscope temps réel,
bande passante 50 GHz
bande passante 10 GHz
Temps de descente mesuré : 46ps
Temps de descente mesuré : 46ps
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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-
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Solutions
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.
Oscilloscope temps réel,
bande passante 10 GHz
Diagramme de l’œil 13,5 Gbits/s
Oscilloscope temps réel,
bande passante 10 GHz
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
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Solutions
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
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