Durante años, las tecnologías como la demodulación coherente y la física de altas energías se han visto limitadas en sus logros por el rendimiento del digitalizador disponible que está restringido por especificaciones clave como el ancho de banda y la integridad de la señal. Otras tecnologías, como los requisitos de medición de LAN inalámbrica y LTE, fueron mejor atendidas por otros instrumentos, como los analizadores de espectro. Los más recientes digitalizadores/ osciloscopios en tiempo real, han aumentado su ancho de banda al tiempo que reducen sus niveles de ruido; por lo tanto, permite la posibilidad de ver señales que antes eran demasiado altas de frecuencia o demasiado bajas en relación con la señal/ ruido (SNR) para ser vistas. Este artículo explica cómo los avances en la tecnología de digitalización permiten a los científicos e ingenieros realizar nuevas mediciones y simplificar las configuraciones de prueba.
Ancho de banda
Durante la última década, el avance más notable en la tecnología del osciloscopio en tiempo real es el crecimiento en el ancho de banda. La competencia por los osciloscopios de gran ancho de banda ha crecido de forma rápida, pasando de 20 GHz en 2009 a los recientemente presentados 110 GHz, que pueden ser encontrados en el osciloscopio de la serie UXR de Keysight
Alcanzar anchos de banda por encima de 50 GHz permite que los osciloscopios en tiempo real puedan ser utilizados en áreas de nuevas tecnologías donde anteriormente, la única posibilidad era usar otra instrumentación. Considere la investigación óptica para comunicaciones de larga distancia, gran parte de la investigación depende del ancho de banda de los digitalizadores para poder medir la velocidad de la óptica. Cuando los osciloscopios alcanzaron los 33 GHz, fue posible medir 400 Gb / s. Con 63 GHz, las señales se podían ver por encima de las velocidades de terabit. Ahora los osciloscopios impulsan 100 GHz y más, muy por encima de las velocidades de terabit. Ha alcanzado un punto donde el límite ahora es la generación de señal, no el digitalizador.
En el mundo de la telefonía celular, todo el rumor está alrededor del estándar inalámbrico de quinta generación (5G). Si bien gran parte de la tecnología se ubica por debajo de 8 GHz, hay un gran movimiento en mmWave. Los primeros puntos clave de frecuencia en los EE. UU. se establecen en 28 y 39 GHz. Si bien esas frecuencias pueden ser manejados por numerosos aparatos, eso es lo que hace que el osciloscopio sea interesante, ya que poseen amplios anchos de banda. 5G tiene un ancho de banda completo de más de 1 GHz que el osciloscopio puede digitalizar directamente. Recientemente, la FCC también ha anunciado frecuencias por encima de 60 GHz. Con anchos de banda del osciloscopio que ahora llegan a más de 100 GHz, los osciloscopios no solo tienen suficiente ancho de banda para las frecuencias 5G de hoy, sino también para el futuro, lo que garantiza la protección de la tecnología futura.
La coherencia de fase de los canales
Al analizar el tema de 5G con más profundidad, se prevé que la tecnología utilizará las entradas múltiples, la tecnología de salidas múltiples (MIMO), con hasta 64 entradas. Actualmente, para hacer mediciones de MIMO, la solución típica es integrar diversos instrumentos junto con un oscilador local. Normalmente, los osciloscopios en tiempo real vienen con 2 o 4 canales. Los desarrollos recientes en los relojes internos en los osciloscopios se han hecho muy precisos en relación al jitter entre canales y al ruido de fase. Pongamos por ejemplo el Keysight UXR, las especificaciones del jitter entre canales en el mercado mejoraron de 150fs a menos de 35fs, significando que las mediciones de MIMO hechas en un osciloscopio son tan precisas como las que se hacen en un sistema atado a un oscilador local. También, los osciloscopios en tiempo local generan un reloj muy preciso, lo que permite que diversos instrumentos se enlacen. Por lo tanto, ahora han llegado a ser una elección excelente para las aplicaciones MIMO. Para avanzar, los osciloscopios agregarán la aniquilación en tiempo real a sus chips que aceleran el hardware, convirtiéndolos aún más viables para la tecnología MIMO.
Ruido de fondo
En el pasado, otra limitación de usar los osciloscopios en tiempo real, a través de las varias tecnologías, ha sido el ruido inherente del propio osciloscopio. El ruido es un problema común en los osciloscopios, resultado de diferentes fuentes dentro del osciloscopio. Para digitalizar una señal, debe viajar a través todo el sistema de adquisición del osciloscopio. Cada centímetro que viaja la señal, se añade el ruido. Entre los peores componentes por lo que respecta el ruido adicional incluyen el preamplificador y el muestreo del osciloscopio. Por desgracia, se requieren los dos componentes para permitir las bandas muy anchas, resultando en un intercambio necesario entre el ruido y el ancho de banda. Asimismo, algunos osciloscopios utilizan los métodos, tales como el entrelazado de frecuencia, para lograr bandas anchas, las cuales necesitan una gran cantidad de DSP (procesamiento digital de señales) para corregir la respuesta de frecuencia que, a su vez, añade más ruido.
El ruido afecta la cantidad de señal visible, lo que paraliza a los ingenieros a la vanguardia de las señales fotónicas o inalámbricas. Consideremos que los osciloscopios no son perfectos, y en el pasado, tuvieron un ruido de fondo de alrededor de 145 dBm/ Hz. Mientras que ello no es necesariamente algo malo, otros instrumentos eran significativamente mejores para lograr una cifra mucho más alta que 160 dBm/ Hz. El objetivo de los avances recientes es convertirse el 145 dBm/ Hz en una cifra más alta que 160 dBm/ Hz (figura 3). Esto represeta un paso adelante, permitiendo que se realicen las nuevas experimentaciones con mucho éxito, utilizando un osciloscopio.
El ejemplo perfecto es una señal de 64 de modulación de amplitud en cuadratura (QAM). La señal es influida mucho por el ruido de instrumentación de prueba. Para cumplir buena entrada, hay que distinguir entre los niveles de señal. Desafortunadamente, en el pasado, esto ha sido difícil; como consecuencia, es necesario que los diseñadores bajen su ancho de banda para evitar el ruido de alta frecuencia en el osciloscopio. El ancho de banda limitado resulta en el rendimiento limitado en la señalización coherente. Gracias a los avances recientes en el ruido del osciloscopio, ahora las señales de 64 QAM de una alta banda son posibles, permitiendo más desarrollos en las comunicaciones de largo recorrido.
El número efectivo de bits (ENOB)
El número efectivo de bits trata de una medida definida por IEEE (El Instituto de Ingeniería Eléctrica y Electrónica) para demostrar el poder de un osciloscopio y cómo el osciloscopio convertirá la señal en la realidad. Típicamente, los osciloscopios empiezan con un convertidor analógico/ digital de 8 o 10-bits (ADCs). Los errores en los ADC y el osciloscopio erosionan la calidad de las señales típicas. Hoy en día, ENOB se ha vuelto la especificación fundamental para el mercado óptico. Con la aparición de 400G, la señalización se ha movido de NRZ (non-return to zero) a PAM4 (modulación de amplitud de pulso con cuatros niveles) (figure 4). En el pasado, la tecnología 400G se ha caracterizado por el uso de muestro, ya que el ENOB afectó a la forma de la señal que entró el osciloscopio. Al contrario, ahora que el ENOB cuenta con una lectura de 6 a los 50GHz, la banda ancha de los osciloscopios en tiempo real ha mejorado de tal manera que las mediciones llevadas en los dos instrumentos se acercan a la calidad de medición. En el mercado de 400G, los ingenieros pueden depurar, así como caracterizar, mientras utilizando el mismo osciloscopio.
Relación señal a ruido y distorsión (SINAD)
Relacionado con las mediciones de ENOB se encuentra el cociente entre la potencia de señal y la del ruido (SNR) así como las mediciones SINAD. En el mundo inalámbrico, uno de los límites más grandes del uso de los osciloscopios ha sido identificado como “espuelas de medición”. Las espuelas limitan la capacidad de un osciloscopio para hacer zoom y observar las señales inalámbricas. Gracias a los desarrollos de los ADC y un ruido fondo más bajo, el SINAD de un osciloscopio ha mejorado dramáticamente.
Para los ingenieros que observan una banda de frecuencias concreta, las espuelas de los osciloscopios dificultan distinguir a las señales reales en comparación con el ruido de los instrumentos. En lo que respecta la tecnología MIMO, los osciloscopios se adapten bien, pero sus ventajas podrían perderse si no se realiza la medición bien. Así, los vendedores de los osciloscopios han trabajado arduamente para abordar las necesidades de las mediciones específicas de una gama más amplia de las aplicaciones de tecnología.
Conclusión
Dado los avances en la tecnología, el osciloscopio como una herramienta utilizada principalmente para una interfaz de alta velocidad se convierte en un instrumento de inspección que se puede usar de una manera efectiva en las aplicaciones inalámbricas también. Ahora, los consumidores tienen la opción de comprar solo un instrumento para hacer el trabajo, en comparación con lo que habría necesitado tres o cuatro instrumentos en el pasado.
*Director Strategic Planning | Internet Infrastructure Group, Keysight Technologies, Inc.