差分信號(hào)對內(nèi)偏移的測量

　　一、引言

　　在高速數(shù)字電路和許多模擬信號(hào)處理系統(tǒng)中，差分信號(hào)被廣泛應(yīng)用。差分信號(hào)由一對信號(hào)組成，即正信號(hào)(P)和負(fù)信號(hào)(N)，它們之間的關(guān)系對于信號(hào)的正確傳輸和處理至關(guān)重要。差分信號(hào)對內(nèi)偏移是指這一對差分信號(hào)在時(shí)間、電壓或相位上出現(xiàn)的不一致性，這種偏移可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)完整性問題、增加誤碼率以及影響系統(tǒng)性能。因此，準(zhǔn)確測量差分信號(hào)對內(nèi)偏移是確保系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵步驟。

　　二、差分信號(hào)對內(nèi)偏移的類型及影響

　　1.時(shí)間偏移(skew)

　　定義與產(chǎn)生原因

　　時(shí)間偏移是指差分信號(hào)對中的正信號(hào)和負(fù)信號(hào)到達(dá)接收端的時(shí)間差異。這可能是由于信號(hào)傳輸路徑長度不同、布線不對稱、不同的信號(hào)傳播速度(例如在不同的介質(zhì)中)或者電路元件的延遲差異等原因造成的。

　　影響

　　在高速數(shù)據(jù)傳輸中，如在高速串行鏈路(如USB 3.0、PCI - Express等)中，時(shí)間偏移可能會(huì)導(dǎo)致眼圖閉合，減小信號(hào)的有效窗口，從而增加誤碼率。如果skew超過了一定的容限，接收端可能無法正確識(shí)別信號(hào)的邏輯電平。

　　2.電壓偏移(common - mode voltage offset)

　　定義與產(chǎn)生原因

　　電壓偏移是指差分信號(hào)對相對于其理想共模電壓的偏差。這可能是由于電源噪聲、不同的偏置電路、信號(hào)源的不平衡或者外部干擾等因素引起的。

　　影響

　　電壓偏移會(huì)影響差分信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，可能使信號(hào)接近或超出接收端的輸入電壓范圍。在模擬差分放大器等電路中，電壓偏移還可能導(dǎo)致放大器輸出的直流偏移，影響后續(xù)電路的正常工作。

　　3.相位偏移(phase offset)

　　定義與產(chǎn)生原因

　　相位偏移是指差分信號(hào)對中兩個(gè)信號(hào)的相位關(guān)系與理想情況的差異。在采用差分信號(hào)進(jìn)行調(diào)制和解調(diào)的通信系統(tǒng)中，如某些射頻通信系統(tǒng)，相位偏移可能是由于本地振蕩器的不穩(wěn)定性、信號(hào)傳播過程中的相移差異或者電路中的相移元件(如濾波器)的非對稱影響等造成的。

　　影響

　　相位偏移會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的解調(diào)錯(cuò)誤，降低通信系統(tǒng)的信噪比，影響信號(hào)的調(diào)制精度，在一些基于相位敏感檢測的系統(tǒng)(如某些傳感器系統(tǒng))中，會(huì)導(dǎo)致測量結(jié)果的偏差。

　　三、測量差分信號(hào)對內(nèi)偏移的方法

　　1.示波器測量

　　時(shí)間偏移測量

　　使用具有足夠帶寬和高采樣率的示波器。將示波器的兩個(gè)通道分別連接到差分信號(hào)對的正信號(hào)和負(fù)信號(hào)上。通過設(shè)置示波器的觸發(fā)模式(例如邊沿觸發(fā))，可以測量兩個(gè)信號(hào)的上升沿或下降沿到達(dá)時(shí)間。計(jì)算兩者的時(shí)間差即可得到時(shí)間偏移。一些高級(jí)示波器還具有自動(dòng)測量skew的功能，可以直接給出測量結(jié)果。

　　電壓偏移測量

　　首先，需要測量差分信號(hào)對的共模電壓。將示波器的兩個(gè)通道連接到差分信號(hào)對，然后通過示波器的數(shù)學(xué)運(yùn)算功能(如通道1 + 通道2再除以2)計(jì)算共模電壓。接著，分別測量正信號(hào)和負(fù)信號(hào)相對于共模電壓的電壓值，兩者的差值即為電壓偏移。

　　相位偏移測量

　　對于周期性的差分信號(hào)，可以使用示波器的FFT(快速傅里葉變換)功能。將示波器連接到差分信號(hào)對后，對兩個(gè)信號(hào)分別進(jìn)行FFT分析，得到它們的頻譜。從頻譜中可以獲取信號(hào)的相位信息，然后計(jì)算兩者的相位差得到相位偏移。另外，一些示波器也提供直接測量兩個(gè)信號(hào)相位差的功能。

　　2.矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)測量

　　在射頻和微波頻段，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀可以用于測量差分信號(hào)的特性。將差分信號(hào)對連接到VNA的差分端口(如果有的話，否則需要使用巴倫等轉(zhuǎn)換裝置)。

　　時(shí)間偏移測量(間接)

　　通過測量差分信號(hào)對的群延遲特性，群延遲的差異可以反映出時(shí)間偏移的影響。VNA可以在一定頻率范圍內(nèi)測量信號(hào)的群延遲，通過分析不同頻率下的群延遲變化來推斷差分信號(hào)對的時(shí)間偏移情況。

　　電壓和相位偏移測量

　　VNA能夠測量差分信號(hào)的幅度和相位特性。通過比較差分信號(hào)對的幅度和相位響應(yīng)，可以得到電壓和相位偏移。它可以提供在較寬頻率范圍內(nèi)的精確測量結(jié)果，對于射頻差分系統(tǒng)的特性分析非常有用。

　　3.專門的差分信號(hào)分析儀

　　專門為差分信號(hào)分析設(shè)計(jì)的儀器可以更方便、更精確地測量差分信號(hào)對內(nèi)偏移。這些儀器通常具有針對差分信號(hào)的優(yōu)化測量功能，如自動(dòng)進(jìn)行共模抑制、精確的skew測量、全面的相位和電壓偏移分析等。

　　它們的操作相對簡單，能夠快速給出差分信號(hào)的各種偏移參數(shù)，并且可以根據(jù)用戶設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)判斷信號(hào)是否符合要求，在高速差分信號(hào)的研發(fā)、生產(chǎn)測試等環(huán)節(jié)中得到廣泛應(yīng)用。

　　四、測量中的注意事項(xiàng)

　　1.探頭的選擇與校準(zhǔn)

　　無論是使用示波器還是其他測量儀器，正確選擇差分探頭非常重要。差分探頭應(yīng)具有足夠的帶寬、低噪聲和高共模抑制比(CMRR)。在測量之前，必須對探頭進(jìn)行校準(zhǔn)，以確保測量的準(zhǔn)確性。例如，示波器的差分探頭需要進(jìn)行探頭補(bǔ)償校準(zhǔn)，以消除探頭自身帶來的誤差。

　　2.接地的影響

　　不當(dāng)?shù)慕拥貢?huì)引入噪聲和干擾，影響差分信號(hào)對內(nèi)偏移的測量結(jié)果。在連接測量儀器時(shí)，應(yīng)遵循良好的接地原則，如使用單點(diǎn)接地或采用隔離變壓器等措施來減少接地環(huán)路的影響。

　　3.信號(hào)完整性的保持

　　在測量過程中，要確保測量連接不會(huì)破壞差分信號(hào)的完整性。例如，過長或質(zhì)量差的連接線可能會(huì)引入額外的延遲、衰減和噪聲，從而影響測量的準(zhǔn)確性。應(yīng)盡量使用短而高質(zhì)量的連接線纜，并避免信號(hào)在連接過程中的反射。

　　五、結(jié)論

　　差分信號(hào)對內(nèi)偏移的測量對于確保高速數(shù)字和模擬系統(tǒng)的性能至關(guān)重要。通過選擇合適的測量方法，如示波器、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀或?qū)ｉT的差分信號(hào)分析儀，并注意測量中的探頭選擇與校準(zhǔn)、接地和信號(hào)完整性等問題，可以準(zhǔn)確地測量差分信號(hào)的時(shí)間、電壓和相位偏移。這有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決信號(hào)傳輸中的問題，提高系統(tǒng)的可靠性和性能，滿足日益增長的高速信號(hào)處理和通信系統(tǒng)的需求。

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