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利用任意訊號產生器模擬高速光驅訊號需知

上網時間: 2003年05月31日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:disk drives  DAC  Arbitrary Waveform Generator  AWG  Track Average Amplitude 

為開發下一代高速光驅,工程人員需要有能夠模擬高速率訊息通道的測試訊號。為了確保元件和硬體系統達到規格要求,這種高速數據訊號是必需的,目前通常使用一種叫做任意波形產生器(AWG)的訊號源,作為開發高速讀╱寫訊息通道的基本工具。本文主要介紹AWG的基本原理與應用須知。

從原理上講,AWG相當於一台正播放歌曲的CD播放器(只不過訊號是任意組合的),播放器的探頭讀取CD上以二進制格式儲存的歌曲,數據透過數位類比轉換器,放大後形成聲音,連續播放時,數據產生的音樂就可以從模擬喇叭中聽到。AWG結構如圖1所示,聲波數據以二進制形式駐留在記憶體中,二進制數值透過主時脈‘取樣’,同時取樣時脈還驅動高速移位暫存器和數位類比轉換器。記憶體中保存的數據包含波形的振幅和位置資訊,取樣時脈的速率和取樣數據點總數量決定了訊號輸出的頻率。


圖1:高速任意波形產生器系統結構。

所有的波形都是由一系列數據點組成,輸出訊號頻率可用時脈取樣率除以波形點總數來確定。對於多周期波形,輸出頻率=取樣率×周期數╱波形總點數。例如對最大取樣率為每秒4G採樣點的AWG來說,如果一個周期用兩個點來表示波形,可以產生2GHz訊號,同理,每個周期用三個點可以得到1.3GHz訊號,用四個點可以得到1GHz訊號,並以此類推。由於波形品質直接與波形點總數和所選取樣率有關,因此驅動器開發人員要掌握好它們之間的取舍。好在有些AWG內建有應用選單,可讓用戶快速設立標準驅動器訊號,因而簡化了波形的製作過程。

太克的AWG710就是這樣一種設備,它依據的原理是幾乎所有磁碟驅動器都採用飽和記錄來讀寫數據。在這種情形下,磁碟上每個位元組都極化成兩種狀態中的一種,也就是說,透過簡單改變寫入頭電流的方向就可以將寫入頭下面的磁介質極性顛倒,因而對數據進行編碼。之後,讀取頭將感應到磁碟上磁通量的逆轉,並對這種變化做出相應反應,這種轉換響應的有效模型是混合型洛侖茲和高斯脈衝。

透過改變洛侖茲和高斯脈衝的比率,可以設立讀╱寫訊息通道訊號模型,該模型能對一連串轉換做出響應,這些轉換代表了讀╱寫頭響應每個記錄媒介轉換時的輸出電壓,脈衝的符號隨連續磁通量的方向變化而變化。圖2是洛侖茲╱高斯脈衝以50/50比率混合時設立的讀╱寫通道訊號,另外AWG710還支援PR4、EPR4、E2PR4和用戶自定義脈衝。

為了正確模擬通道訊號,可在混合訊號中加入表示讀寫數據時序的部份,它規定轉換的位置,這種時序可從簡單1F或2F單頻模式到最大長度為2n-1的偽隨機位串(PRBS)或用戶自定義數據模式。混合脈衝和這些數據在AWG中連接起來設立讀╱寫訊息通道訊號,也可以利用附加參數進行編輯,如磁軌平均振幅(TAA)、脈衝寬度(PW)、非線性轉換位移(NLTS)及不對稱訊號等。

讀╱寫通道訊號設立後,可透過圖形編輯器加入振幅和時脈變量。圖3顯示將讀╱寫訊號和一個脈衝連接起來,目的是對訊號進行改變,用圖形編輯器很容易插入遺失的位元組或加入額外位元組。圖中有兩個標記點,其中標記2表示每個數據點的時間,標記1代表整個波形記錄中脈衝的衰減情況。標記通常用於觸發讀寫訊號,或為訊號採集裝置如示波器和邏輯分析儀確定觸發位置。圖4顯示了修正後的脈衝幅度。

設計人員改變時序可以幫助除錯驗證後續硬體指標富餘量。改變時序的方法與丟棄(或增加)位元組很類似,用指針確定相應的區域,對相應波形點進行‘縮放’以得到規定的時間位移。這?的縮放與放大縮小不同,是將每一個目標數據點都乘上或除以一個縮放係數。縮放允許時間位移超過4.0GS/s的250picosecond限制,對AWG710來說,最小時脈波形位移為400飛秒(fs)。

AWG同時還為驅動器開發人員提供了波形即時排序能力。即時排序(RTS)有兩個重要作用,第一,它允許將多個波形無縫連接起來,不會影響輸出訊號;第二,RTS可將較長訊號傳送給被測元件。這兩種功能可使驅動器開發人員安排系列波形以對產品進行長期評估。

RTS的關鍵是對AWG記憶體進行分配,沒有RTS的AWG必須儲存整個波形。例如要儲存三種不同的訊號各500個周期,每個訊號1,000個點,則需要能儲存150萬點的RAM(3×500×1000)。而即時序列產生器可以不間斷地自動重覆每段波形,所以帶RTS的AWG只要儲存一個波形周期就可以了,用RTS儲存上述序列只需要儲存3,000點的RAM。由於AWG儲存波形的容量有限,因此即時序列功能就顯得很重要。在有些應用中,以4.0GS/s(250picosecond間隔)模擬10毫秒寫入需要4,000萬點波形儲存量。實際的一個序列可能含有幾百個波形,波形中還具有由邏輯和軟體狀態決定的條件跳躍和分支,符合條件的還要調用下一個序列。

AWG為驅動器開發人員提供了多種方法產生模擬波形,包括規定波形和最壞情形波形。第一個方法是用內建的圖形編輯器提供的成立和波形作業界部工作環境(如圖3和圖4);第二種方法透過公式編輯器製作訊號,可提供更複雜的波形。公式編輯器將複雜數學函數匯編到類比和數位等式中,圖5是產生分散頻譜時脈的部份公式內容。還有一種很流行的方法是利用數位儲存示波器的記錄能力將波形記錄下來,然後轉到AWG記憶體中,通常這種轉移透過GPIB或LAN等外部控制方式來實現,也可以用軟碟。當波形轉入AWG記憶體以後,就好像是用圖形編輯器設立的一樣,可對它進行編輯和回放。另外也可以從模擬程式如MATLAB或MathCAD中下載ASCII數據。

作者:Don Commare


產品市場經理


Tektronix




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