信号完整性分析平台孙灯亮 Agilent AEO 众所周知, 当今世界数字技术飞速发展, 无论是一位从事有限通信系统, 计算机系统, 雷达和卫星通信系统, 或是高速半导体集成电路设计, 高速光电收发模块, 高速信号处理, 高速互连器件 ( 诸如高速接插件, 高速数字传输电缆 ) 等领域的研发及测试工程师都会面临着一个共同的挑战 Signal Integrity ( SI) 信号完整性 10 年前我们所提到的数字产品, 其时钟或数据频率大多在几十兆之内, 信号的上升时间大多在几个纳秒, 甚至几十纳秒以上 那时的数字化产品设计工程师进行的就是 数字设计 只要掌握布尔代数等数字方面的诸多知识, 保证逻辑正确, 就能设计出其所期望的性能的产品 而现在的数字技术已经发展到几千兆, 甚至几十千兆的传输速率, 信号的上升时间大多在一纳秒以内, 诸如串扰, 阻抗匹配,EMI( 电磁兼容 ), 抖动等射频微波领域才会遇到的问题, 如今变成了高速数字设计必须解决的关键性问题 这就要求我们的工程师不但要具备数字方面的设计知识, 同时也要具备射频微波方面的设计知识 ; 不但要掌握时域及逻辑域的测量分析技术, 还要掌握频域的测量分析技术 信号完整性到底是什么? 信号完整性这个概念, 是针对高速数字信号提出来的, 信号的实际波形会与理想波形存在着差别,SI 解决的就是信号传输过程中的信号质量问题 到底什么样的信号会涉及 SI 问题, 要从信号的速率以及信号的上升时间两个角度来考虑 拿 PCB 来说, 当一段 PCB 上的连线所造成的信号传输延时远远小于信号的上升时间时, 可按简单的电路理论去设计 ; 当一段 PCB 上的连线所造成的信号传输延时与信号的上升时间类似时 ( 有说是几倍于上升时间 ), 则必须按传输线的理论去设计, 此时的这段连线即是传输线 举个具体实例, 如图 1 所示 : 图 1 高速信号的传输 假设由驱动器发出的信号是高质量的时钟信号, 如图 2 中红色波形所示 但是, 在接收机端看到的却是质量变差的信号, 如图 2 黄色波形所示 什么原因造成的? 假设接收电路也是好的, 那么问题就出在信号的传输路径上 图 2 高速信号的传输质量变差 假设是信号的传输路径问题, 比如存在着明显的阻抗不连续部分 ( 过孔, 线变宽 / 变窄等 ), 为验证它们对信号的影响, 我们可采用一脉冲 / 码型发生器产生高质量的信号接到这条传输线的一端, 用一台高带宽示波器在另一端进行接收, 我们看到发出的信号的眼图如图 3 所示, 而在另一端看到的眼图却变得较差 ( 示波器的影响除外 ), 如图 4 所示 这说明传输线的质量会对信号完整性构成显著的影响
图 3 脉冲 / 码型发生器产生高质量的激励信号 图 4 传输线的质量会对信号完整性构成显著的影响 除了传输线质量的影响, 我们还要考虑到这样一个问题 : 通常 Driver 的输出阻抗为低阻, 假设传输线的阻抗为 5ohm, 而接收端的输入阻抗为高阻, 如图 5 所示 这同样造成了阻抗的不匹配, 引起反射, 造成信号失真 解决的方法是可在输出端串联一特定阻值的电阻 ( 可通过计算, 仿真得到 ), 比如 40ohm, 如图 6 所示 结果, 我们看到接收端的波形质量大为改观, 如图 7 所示
影响信号完整性的因素很多, 归纳起来, 四大方面的原因 : 1. 由于阻抗不连续所造成的单个网络内信号的质量问题 ; 2. 多个网络之间由于耦合所造成的串扰问题 ; 3. 电源层及地线层的阻抗不连续所造成的问题 ; 4. 来自系统其它部分的 EMI 问题 图 7 通过串联电阻使接收端的波形质量大为改观 信号完整性分析在欧美, 日本等技术先进国家近些年来已成为一个非常热门的行业, 它是实现高性能数字化产品的基础, 就如同一个城市的道路建设, 只有路修得好, 车才能跑得既稳又快 因此, 国内外很多大公司都相继成立了信号完整性分析的研发力量 目前国内雷达研发机构在信号完整性分析方面的工具是不够完善的, 非常有必要建立信号完整性分析平台, 以适应新一代雷达的研发需求 平台功能与组成 图 8 是在开发的不同阶段, 所需要的工具图 信号完整性分析平台主要包括下面几个部分 : 信号完整性仿真分析 高速互连高级测试分析 高速信号测试分析 系统级激励响应测试分析 系统级总线测试分析等 下面针对具体的典型的工具做一个具体的介绍
图 8 信号完整性分析的不同阶段和平台组成 信号完整性仿真分析 : 高级设计系统 ADS 中的 SI 分析工具 解决信号完整性问题要从最初设计阶段着手, 仿真工具是必不可少的, 市场上有许多时域的, 频域的仿真软件 可采用安捷伦的 ADS 仿真工具, 对高速传输线 关键器件 关键接插件 系统等进行仿真 建模, 它能完成 : 时域仿真, 包括 : 频域仿真, 包括 : 1 眼图分析 1.S 参数分析 2. 抖动分析 2. 串扰分析 3. 定时分析 3. 阻抗分析 4. 误码率分析 4. 混合模式分析 图 9 为对传输线模型进行时域仿真实例, 仿真结果以时域眼图形式显示出来 图 10 为首先进行版图设计, 然后进行基于版图的电磁场仿真, 将其的结果再进行时域仿真 传输线模型或版图模型还可以转换为 SPICE 模型, 供其它时域仿真软件使用
针对 SI 的具体配置如下 : 图 9 对传输线模型进行时域仿真实例仿真结果以时域眼图形式显示出来 1.Design Environment 7.Momentum Visualization 2.Data Display 8.Layout 3.Linear Simulator 9.IGES Translator* 4.High Frequency SPCI E 10.GDSII Translator* 5.Convolution Simulator 11.DXF Translator * 6.Momentum 12.Gerber Translator * ADS 提供了 SI 分析所用的必要的仿真器, 它还能与仪表相连, 获取测量模型 ADS 中的设计指南提供 SI 仿真指导, 方便了操作和使用
图 10 对基于版图的电磁场仿真结果再进行时域仿真 高速互连高级测试分析 : 物理层测试系统 PLTS 仿真之后, 要制作出实物, 如 PCB,Connector, 电缆等, 由于制作工艺及综合设计等原因, 可能会造成实物与期望的不符, 所以, 接下来要进行实物验证 安捷伦公司不但提供了传统的 TDR/TDT( 时域反射 / 时域传输 ) 以及矢量网络分析仪 (VNA), 还针对信号完整性的应用, 专门推出了基于 TDR/TDT( 时域反射 / 时域传输 ) 以及矢量网络分析仪 (VNA) 的物理层测试系统 ( Physical Layer Test System PLTS), 这是安捷伦独具特色的产品 如图 11 所示, 基于矢量网络分析仪的物理层测试系统由以下几个部分组成 : 1. 安捷伦 PNA 系列矢量网络分析仪 :E8362B, E8363B, N5230A-225 2. 安捷伦多端口测试座 :N4419B,N4420B,N4421B 3. 计算机上运行的物理层测试系统 (PLTS) 软件 :N1930A 4. 电子校准件或机械校准件 5. 测试电缆 6.GPIB 电缆如 :82357A 等 基于 VNA 的物理层测试系统主要指标如下 : 图 11 基于矢量网络分析仪的物理层测试系统
PLTS( 物理层测试系统 ) 可实现的主要功能包括以下几个方面 : 1 频域测量 : 差分 / 单端 S 参数测试, 阻抗测试, 通过去嵌入功能, 得到被测件的真实参数 2 域测量 : 单端 / 差分 TDT/TDR 测量 3 眼图测量 :TDR 或 VNA 测得的数据与 LP TS 的虚拟眼图发生器产生的码型进行卷积运算得出 4 传输线模型参数提取 :RLCG 并可输出至 ADS 仿真软件 5 前向 反向测试 6 传输, 反射测量 7 单端, 差模, 共模和模式转换测量如图 12 所示, PLTS 软件提供了对被测件的全面特性描述 图 12 PLTS 软件提供了对被测件的全面特性描述 通过 PLTS 对实物进行测试, 把测量数据与模型参数进行对比, 通过不断改进, 得到符合要求的器件或电路板 也可将 PLTS 测得的结果作为一个模型来供仿真软件使用, 它支持市场上多种主流仿真软件, 输出的数据格式包括 Citifile, Touchstone 等 高速信号测试分析方案 : 高性能示波器 DSO81304A 无源阶段的测试完成后, 进入下一个研发阶段, 将相应芯片等器件安装在电路板上, 建立起可工作的系统之后, 可采用安捷伦的 DSO81304A 系列数字示波器对实际的活的信号进行测试分析, 包括波形参数测量, 抖动测量, 一致性测量等 若是针对大量的信号如高速并行总线需要同时测试, 安捷伦的高速逻辑分析系统可对总线进行眼图扫描和分析, 观察总线及每个通道的眼图质量 高带宽实时采样数字示波器是用于在时域观察高速信号波形质量的必不可少的工具 安捷伦公司推出的 DSO81304A 带宽高达 13GHz, 采样速率高达 40Gsa/s, 特别适合与高速总线的测量 ( 图 13) 示波器通常用来进行在线测量, 也就是必须用到探头去探测 示波器的探头往往会构成被测电路的一部分, 被测电路也会构成探头的一部分, 设计不当, 会引起信号严重失真, 所以探头成为了示波器测量系
统的瓶颈 安捷伦公司不但提供了高带宽的示波器, 通过进行深入的信号完整性分析, 建立了合理的探头模型, 研制出带宽可达 12GHz 的高带宽单端 / 差分有源探头, 从而保证了测试系统的最大带宽, 忽略了探头对测量的确影响, 也保护了用户的投资 图 14 所示为采用 50ohm 电缆作为连结与用 12GHz 的高带宽有源探头作为连结测量同一高速信号 ( 上升时间约为 60ps) 的比较, 可观察到用 12GHz 的高带宽有源探头作为连结能逼真地反映信号的原始形状 图 13 DSO81304A 高带宽示波器及高带宽有源探头系统 图 14 高带宽有源探头系统能够确保高速信号的真实性 DSO81304A 同时配备一系列测试分析应用软件, 如抖动分析, 串行数据分析, 雷达信号分析软件等等, 图 15 是一些软件界面
图 15 DSO81304A 配备的高级抖动分析软件 图 16 DSO81304A 配备的高速串行数据分析软件
图 17 DSO81304A 配备的 89601 矢量信号 / 雷达信号分析软件 DSO81304A 高带宽示波器系统的主要特点为 : 1. 最高采样速率达 40Sa/s, 带宽为 13GHz 的实时采样示波器 ; 2. Agilent 特有的 MegaZoom 技术, 存储深度可扩展至 64Mpts, 做到深存储, 快速响应 ; 3. 采用电子衰减器, 消除了机械衰减器带来的可靠性和重复性问题 ; 4. 触发抖动低至 0.5ps rms, 可精确测量信号的抖动 ; 5. 曾获得 EDN 大奖的具有多种探头连接方式 ( 浏览型, 焊接型, 插座型,SMA 连接型 ) 的 InfiniiMax II 系列高带宽有源探头, 支持单端 / 差分连接, 保证了最大的系统带宽, 也保护了用户的投资 ; 6. 易于使用的曾获业界大奖的基于 MicrosoftWindows XP Pro 的用户界面 ; 7. 针对高速总线的分析和一致性测试, 提供了多种分析软件, 包括 : 抖动分析软件 ( 常用型, 先进型 ), 高速串行数据分析软件 (SDA), 低速串行数据分析软件,PCI-Express, S-ATA,USB2.0,DVI,GBE 等多种一致性分析软件, 安捷伦还提供了独有的串行触发 / 查找,8B/10B 解码功能 8. 针对雷达信号的分析, 可以把 89601 直接安装在示波器内部, 进行雷达信号的矢量分析 系统级激励响应测试分析方案 : 并行误码仪 81250A 误码率分析仪 (BERT) 是将已知的测试码型发送到被测系统, 通过接收通道将系统输出的数据采集下来, 并与参考数据进行实时比较, 从而得出误码率显示 安捷伦的 81250A( 图 18) 是世界上独有的并行误码率分析仪, 它不但可以满足单通道的误码率测试需要, 还可扩展至上百个通道, 对复用 / 解复用器以及高速并行系统进行并行的误码率测试 图 18 安捷伦公司的 81250A 并行误码率分析仪 81250A 的硬件基于 VXI 的标准平台, 采用模块化结构, 通过选择不同速率的模块及收发前端, 可进行灵活的系统配置, 速率支持范围从 333.3Kb/s 到 45Gb/s( 如下表所示 ); 软件则采用 WINDOWS 标准台, 易于对系统及数据做复杂控制和处理, 也便于不断省级, 以支持新的模块和功能
系统主要特点如下 : 1. 通过配置足够数量的通道可针对 XAUI 及 SFI-5 等应用进行测试 ; 2. 可产生 PRBS 及 PRWS, 长度可达 231-1; 内置 Memory, 具有用户自定义码型功能 ; 3. 有自动同步功能 ; 4. 675 Mb/s 速率下系统通道数最多可配置 128 个 ; 3.35 Gb/s, 2.7 Gb/s 速率下系统通道数最多可配置 64 个 ; 13.5 Gb/s, 10.8 Gb/s, 7 Gb/s 速率下系统通道数最多可配置 30 个 ; 还可配置成速率高达 45Gb/s 的误码测试系统 可满足 10GbE,OC-48,OC-192 OC-768 等应用的需求 ; 5. 除误码率测试外, 还可进行输出时序测量, 包括建立 / 保持时间, 通道间 SKEW,phase margins, 浴盆曲线, 眼张开度 抖动 (RJ/DJ/TJ), 抖动频谱等 6. 具有抖动调制功能 (13.5 Gb/s, 7 Gb/s 和 3.35 Gb/s), 进行抖动容限测量 ; 7. 交叉点可变 (13.5 Gb/s, 7 Gb/s 和 3.35 Gb/s), 提供实际信号压力模拟 8. 通过增加模块, 不断满足今后的测量需要 9. 单端或差分信号输入 / 输出 系统级总线测试分析方案 : 逻辑分析系统 16902A 在高速并行总线的测试中, 由于通道数的限制, 数字示波器的二至四个通道难以胜任, 传统的逻辑分析仪受限于只能进行单端信号测量且采样速率较慢, 也无法满足新的测试需求 安捷伦公司的 16902A 逻辑分析系统 ( 图 19) 配合一系列的高速逻辑分析模块, 不但可进行定时 / 状态分析, 还可进行模拟分析, 观察总线信号的眼图, 具体模块的型号及主要参数如下 : 1. 16760A: 可达 1.5Gb/s 状态采集速率 ; 高达 128M 的存储深度 ; 可进行单端 / 差分信号的测试, 还可进行总线信号的眼图分析, 其等效带宽达 2.33GHz 2. 16753/4/5/6A: 可达 600Mb/s 状态采集速率, 存储深度分别可达 1/4/16/64M; 具有 4GHz/64k 的定时缩放功能, 能同时进行定时和状态分析 ; 可进行单端 / 差分信号的测试, 还可进行总线信号的眼图分析, 其等效带宽达 2.33GHz; 3. 16950A: 可达 800Mb/s 状态采集速率, 存储深度分别可达 64M; 具有 4GHz/64k 的定时缩放功能, 能同时进行定时和状态分析 ; 可进行单端 / 差分信号的测试, 还可进行总线信号的眼图分析, 其等效带宽达 2.33GHz EyeFinder 和 EyeScan 功能为安捷伦的高端模块特有的标配的功能
逻辑分析仪的探头同样会构成被测电路的一部份, 设计不当, 会引起信号严重失真, 成为逻辑分析测量系统的瓶颈 安捷伦公司通过进行深入的信号完整性分析, 建立了合理的探头模型, 研制出多种高带宽的逻辑分析探头, 从而保证了测试系统的最大带宽, 忽略了探头对测量的确影响 安捷伦公司研制出了新一代无插座型高带宽的逻辑分析探头 SoftTough 以及 Soft Tough Pro, 具有高密度, 高可靠性, 易于使用, 易于布线, 高带宽 ( 容抗 <0.7pf, 支持数据速率 >2.5Gb/s) 等特点, 建立了此种连接技术的工业标准 用于高速信号测试的通用型逻辑分析探头的主要型号包括 : 飞线型 : E5381A:1.5Gb/s 差分分析探头 E5382A:1.5Gb/s 单端分析探头 焊接插座型 : E 35 85A:1.5Gb/s 单端分析探头 E5378A:1.5Gb/s 单端分析探头 E5379A:1.5Gb/s 差分分析探头 新一代无插座型 (SoftTouch): E 35 94A:2.5Gb/s 单端分析探头 E5398A:2.5Gb/s 单端分析探头 E5390A:2.5Gb/s 单端分析探头 E5387A:2.5Gb/s 差分分析探头 新一代无插座型 (SoftTouch Pro): E 45 04A:2.5Gb/s 单端分析探头 E5405A:2.5Gb/s 差分分析探头 E5406A:2.5Gb/s 单端分析探头 图 19 基于 Windows XP 的 16902A 逻辑分析系统 图 20 安捷伦公司的新一代无插座型高带宽逻辑分析探头 (SoftTough/Pro)