差分信号对内偏移的测量
差分信号对内偏移的测量
差分信号在高速数字电路和模拟信号处理系统中广泛应用，其对内偏移的准确测量对于确保系统正常运行至关重要。本文详细介绍了差分信号对内偏移的类型、影响及其测量方法，包括示波器测量、矢量网络分析仪测量和专门的差分信号分析仪测量，并提供了具体的测量步骤和注意事项。
一、引言
在高速数字电路和许多模拟信号处理系统中，差分信号被广泛应用。差分信号由一对信号组成，即正信号(P)和负信号(N)，它们之间的关系对于信号的正确传输和处理至关重要。差分信号对内偏移是指这一对差分信号在时间、电压或相位上出现的不一致性，这种偏移可能会导致信号完整性问题、增加误码率以及影响系统性能。因此，准确测量差分信号对内偏移是确保系统正常运行的关键步骤。
二、差分信号对内偏移的类型及影响
1.时间偏移(skew)
定义与产生原因
时间偏移是指差分信号对中的正信号和负信号到达接收端的时间差异。这可能是由于信号传输路径长度不同、布线不对称、不同的信号传播速度(例如在不同的介质中)或者电路元件的延迟差异等原因造成的。
影响
在高速数据传输中，如在高速串行链路(如USB 3.0、PCI - Express等)中，时间偏移可能会导致眼图闭合，减小信号的有效窗口，从而增加误码率。如果skew超过了一定的容限，接收端可能无法正确识别信号的逻辑电平。
2.电压偏移(common - mode voltage offset)
定义与产生原因
电压偏移是指差分信号对相对于其理想共模电压的偏差。这可能是由于电源噪声、不同的偏置电路、信号源的不平衡或者外部干扰等因素引起的。
影响
电压偏移会影响差分信号的动态范围，可能使信号接近或超出接收端的输入电压范围。在模拟差分放大器等电路中，电压偏移还可能导致放大器输出的直流偏移，影响后续电路的正常工作。
3.相位偏移(phase offset)
定义与产生原因
相位偏移是指差分信号对中两个信号的相位关系与理想情况的差异。在采用差分信号进行调制和解调的通信系统中，如某些射频通信系统，相位偏移可能是由于本地振荡器的不稳定性、信号传播过程中的相移差异或者电路中的相移元件(如滤波器)的非对称影响等造成的。
影响
相位偏移会导致信号的解调错误，降低通信系统的信噪比，影响信号的调制精度，在一些基于相位敏感检测的系统(如某些传感器系统)中，会导致测量结果的偏差。
三、测量差分信号对内偏移的方法
1.示波器测量
时间偏移测量
使用具有足够带宽和高采样率的示波器。将示波器的两个通道分别连接到差分信号对的正信号和负信号上。通过设置示波器的触发模式(例如边沿触发)，可以测量两个信号的上升沿或下降沿到达时间。计算两者的时间差即可得到时间偏移。一些高级示波器还具有自动测量skew的功能，可以直接给出测量结果。
电压偏移测量
首先，需要测量差分信号对的共模电压。将示波器的两个通道连接到差分信号对，然后通过示波器的数学运算功能(如通道1 + 通道2再除以2)计算共模电压。接着，分别测量正信号和负信号相对于共模电压的电压值，两者的差值即为电压偏移。
相位偏移测量
对于周期性的差分信号，可以使用示波器的FFT(快速傅里叶变换)功能。将示波器连接到差分信号对后，对两个信号分别进行FFT分析，得到它们的频谱。从频谱中可以获取信号的相位信息，然后计算两者的相位差得到相位偏移。另外，一些示波器也提供直接测量两个信号相位差的功能。
2.矢量网络分析仪(VNA)测量
在射频和微波频段，矢量网络分析仪可以用于测量差分信号的特性。将差分信号对连接到VNA的差分端口(如果有的话，否则需要使用巴伦等转换装置)。
时间偏移测量(间接)
通过测量差分信号对的群延迟特性，群延迟的差异可以反映出时间偏移的影响。VNA可以在一定频率范围内测量信号的群延迟，通过分析不同频率下的群延迟变化来推断差分信号对的时间偏移情况。
电压和相位偏移测量
VNA能够测量差分信号的幅度和相位特性。通过比较差分信号对的幅度和相位响应，可以得到电压和相位偏移。它可以提供在较宽频率范围内的精确测量结果，对于射频差分系统的特性分析非常有用。
3.专门的差分信号分析仪
专门为差分信号分析设计的仪器可以更方便、更精确地测量差分信号对内偏移。这些仪器通常具有针对差分信号的优化测量功能，如自动进行共模抑制、精确的skew测量、全面的相位和电压偏移分析等。
它们的操作相对简单，能够快速给出差分信号的各种偏移参数，并且可以根据用户设定的标准判断信号是否符合要求，在高速差分信号的研发、生产测试等环节中得到广泛应用。
四、测量中的注意事项
1.探头的选择与校准
无论是使用示波器还是其他测量仪器，正确选择差分探头非常重要。差分探头应具有足够的带宽、低噪声和高共模抑制比(CMRR)。在测量之前，必须对探头进行校准，以确保测量的准确性。例如，示波器的差分探头需要进行探头补偿校准，以消除探头自身带来的误差。
2.接地的影响
不当的接地会引入噪声和干扰，影响差分信号对内偏移的测量结果。在连接测量仪器时，应遵循良好的接地原则，如使用单点接地或采用隔离变压器等措施来减少接地环路的影响。
3.信号完整性的保持
在测量过程中，要确保测量连接不会破坏差分信号的完整性。例如，过长或质量差的连接线可能会引入额外的延迟、衰减和噪声，从而影响测量的准确性。应尽量使用短而高质量的连接线缆，并避免信号在连接过程中的反射。
五、结论
差分信号对内偏移的测量对于确保高速数字和模拟系统的性能至关重要。通过选择合适的测量方法，如示波器、矢量网络分析仪或专门的差分信号分析仪，并注意测量中的探头选择与校准、接地和信号完整性等问题，可以准确地测量差分信号的时间、电压和相位偏移。这有助于及时发现和解决信号传输中的问题，提高系统的可靠性和性能，满足日益增长的高速信号处理和通信系统的需求。