10G-32G數(shù)字系統(tǒng)信號完整性測量技術(shù)白皮書

前言
云計算等高速數(shù)字系統(tǒng)是后IT時代推動力量之一。
云計算和其他高速數(shù)字系統(tǒng)對數(shù)據(jù)帶寬要求非常巨大，使得整個系統(tǒng)的單根信號速率突破10Gbps，20Gbps甚至達到28Gbps的超高數(shù)量級。超過10GHz的數(shù)字系統(tǒng)，對各種電路和信號的要求達到了異常苛刻的境界，電路和信號的測量成為必不可少的研發(fā)環(huán)節(jié)。表1-1列出了關(guān)鍵的測量內(nèi)容和需要使用的相應(yīng)的測試儀器。



表/圖1. 10-20GHz以上數(shù)字系統(tǒng)關(guān)鍵測試內(nèi)容和相應(yīng)的測試儀器


下面按測試內(nèi)容展開介紹具體測試要求，測量方法，以及專業(yè)儀器的核心指標(biāo)或原理，以供產(chǎn)品經(jīng)理，技術(shù)專家，或工程師參考。

10GHz以上高速背板測量
對于用于云計算的電信設(shè)備，數(shù)據(jù)通信設(shè)備，服務(wù)器矩陣等，高速背板是關(guān)鍵的互連部件。高速背板里面需要走幾十對到幾千對高速差分線，現(xiàn)在典型的信號速率是6.25Gbps，10.3125Gbps，隨著云計算對數(shù)據(jù)帶寬的要求，需要信號速率突破20Gbps，甚至達到28Gbps。高速背板設(shè)計成為云計算設(shè)備開發(fā)的重點和難點之一。圖2是一個典型的高速背板樣品，兩邊簡單單板是用于高速背板性能測試的測試夾具。測試夾具與背板接觸部分是高速連接器，通過特制的SMA/3.5mm/2.4mm等同軸連接器與儀器儀表連接。

圖2. 典型的高速背板樣品

衡量高速背板的主要性能參數(shù)如下表/圖3所示。

表/圖3. 高速背板典型性能參數(shù)


測量3.125Gbps以上的高速背板，主要通過高性能矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀來實現(xiàn)。N52XX是典型的高性能網(wǎng)絡(luò)分析儀，表/圖4列舉了N5245A網(wǎng)絡(luò)分析儀的性能參數(shù)。

表/圖4. N5245A網(wǎng)絡(luò)分析儀典型性能參數(shù)

對于高速背板測試來說，最難最復(fù)雜的是校準(zhǔn)。但是，必須通過校準(zhǔn)把測試電纜，測試夾具等的誤差去掉，才能真正得出高速背板的性能參數(shù)，才能確定高速背板是否滿足規(guī)范或設(shè)計要求，才能把測試得到的S參數(shù)作為模型以供仿真軟件使用。為此，配合網(wǎng)絡(luò)分析儀硬件使用的物理層測試系統(tǒng)PLTS軟件，幫助我們解決了這個題。
PLTS軟件不僅僅從時域，頻域等多角度測試高速背板的性能參數(shù)，還能夠建立自動測試流程，快速驗證測試結(jié)果是否滿足規(guī)范或設(shè)計要求，同時生成測試報告。
除此外，PLTS還支持各種校準(zhǔn)技術(shù)，以進行精確和快速的校準(zhǔn)，這是PLTS軟件的關(guān)鍵價值之一。這些校準(zhǔn)技術(shù)如圖5所示。最簡單的校準(zhǔn)技術(shù)是端口延伸（Port Extension）和時域門（Time Domain Gating)，次之是歸一化（Normalization）和參考面校準(zhǔn)（Reference Plane Calibration），但是這些校準(zhǔn)技術(shù)不適合測試高速背板。由于高速背板是非同軸的環(huán)境，適合的校準(zhǔn)方法主要有三種：TRL，去嵌入，AFR（自動夾具移除）。采用去嵌入的方法需要提供夾具的S參數(shù)文件，這些S參數(shù)文件可通過仿真或測試獲得，但是測試不容易處理，需要探針臺，代價太高昂，所以一般通過仿真的方式提取測試夾具的S參數(shù)共去嵌入使用，這樣做難以保證精度。
所以最常用的校準(zhǔn)方法還是TRL和AFR。

圖5. PLTS軟件支持的校準(zhǔn)技術(shù)

采用TRL校準(zhǔn)技術(shù)的難點是設(shè)計校準(zhǔn)件。為此，PLTS軟件能夠提供了TRL校準(zhǔn)件設(shè)計指南。這個設(shè)計指南提供一步步詳細的指引，幫助用戶詳細設(shè)計TRL校準(zhǔn)夾具，并且當(dāng)用戶的TRL校準(zhǔn)夾具制造后，驗證制造的夾具是否滿足要求。
TRL校準(zhǔn)件采用的是松耦合的差分傳輸線，如果考慮緊耦合，需要移除測試夾具的兩根差分線內(nèi)的串?dāng)_，在以前是一件非常困難的事情。PLTS軟件中的差分串?dāng)_校準(zhǔn)指南能幫助用戶一步步移除兩根線間耦合所導(dǎo)致的測量誤差。
PLTS軟件最大的校準(zhǔn)技術(shù)突破是創(chuàng)新了一種自動夾具移除AFR校準(zhǔn)方法，不僅僅校準(zhǔn)件設(shè)計簡單，校準(zhǔn)處理方便，而且校準(zhǔn)精度非常高。只要把兩個夾具對接一下，即可把夾具的影響去除。如果兩端的測試夾具對稱，對接校準(zhǔn)件設(shè)計比較簡單，只有把兩根線連接一起即可；如果兩端的測試夾具不對稱，需要在對接校準(zhǔn)件上設(shè)計兩對差分走線，每對是每個測試夾具差分走線長度的兩倍即可。

圖6. 自動夾具移除AFR校準(zhǔn)的操作界面


供電網(wǎng)絡(luò)PDN測量
對于云計算或其他高速數(shù)字電路和系統(tǒng)，信號完整性仿真、設(shè)計和測試是關(guān)鍵點之一；電源完整性仿真、設(shè)計和測試是另一個關(guān)鍵點，而且相比信號完整性來說，更復(fù)雜，難度更大。快速而準(zhǔn)確的仿真電源完整性至今仍然是一個待突破的課題。
電源完整性分析對象主要是供電網(wǎng)絡(luò)PDN（Power Distribution Network）。以筆記本電腦為例，AC到DC電源適配器供給計算機主板的是一個約16V的直流電源，主板上的電源分配網(wǎng)絡(luò)要把這個16V直流電源變成各種電壓的直流電源（如：+-5V, +1.5V, +1.8V,+1.2V等等），給CPU供電，給各個芯片供電。CPU和IC用電量很大，而且是動態(tài)耗電的，瞬時電流可能很大，也可能很小，但是電壓必須平穩(wěn)（即紋波和噪聲必須較?。员３諧PU和IC的正常工作。這都對PDN提出了苛刻的要求。
要衡量PDN性能，只用示波器測試CPU和IC管腳的電源紋波和噪聲是不夠的，而且出現(xiàn)問題后也沒有辦法定位問題。要精確衡量PDN的性能，需要測試PDN的輸出阻抗（隨頻率變化的阻抗）和PDN的傳輸阻抗（也是隨頻率變化的阻抗），就像表征一個單端口網(wǎng)絡(luò)或雙端口網(wǎng)絡(luò)一樣去表征PDN。這也要用到網(wǎng)絡(luò)分析儀工具。
用網(wǎng)絡(luò)分析儀去測試PDN，有兩大挑戰(zhàn)：
1. PDN的輸出阻抗和傳輸阻抗是豪歐級的，想準(zhǔn)確測試，是一件比較困難的事情。
2. PDN工作時是帶直流電壓的，即帶偏置的，需要網(wǎng)絡(luò)分析儀有偏置測量的功能。
用網(wǎng)絡(luò)分析儀測試毫歐級的輸出阻抗，不能簡單的用一端口測試方法，因為阻抗太小，反射太大。這時比較好的方法是用雙端口測試方法，如圖7所示，測試時用S21代替S11。

圖7. 用雙端口方法測試PDN輸出阻抗


假設(shè)探測試電纜電感約為0，Z(DUT)遠小于Zo（VNA端口阻抗），PDN輸出阻抗的計算公式如下：
Z(DUT)=Z11=S21*25(ohm)

用網(wǎng)絡(luò)分析儀測試毫歐級的輸出阻抗，也是用雙端口測試方法，如圖8所示。


圖8. 用雙端口方法測試PDN的傳輸阻抗
假設(shè)探測試電纜電感約為0，Z11，Z21，Z22遠小于Zo，PDN傳輸阻抗的計算公式如下：
Z21=Z12=S21*25(ohm)

針對這種的特殊測量要求，安捷倫的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀E5061B推出了一個特殊的選件3L5幫助測試PDN。 E5061B-3L5 可以在從5 Hz 至 3 GHz 的率范圍內(nèi)提供常用的網(wǎng)絡(luò)測量和分析功能，功能全面的低頻網(wǎng)絡(luò)測量能力 (包括內(nèi)置的 1 MΩ 輸入) 都被完美地集成到這個高性能的射頻網(wǎng)絡(luò)分析儀之中。
E5061B-3L5的增益相位測試端口可以在從 5 Hz 到 30 MHz 的低頻測量范圍內(nèi)直接把測試信號接入測量接收機。內(nèi)置的 1 MΩ輸入使工程師能夠使用測量探頭輕松地對所測電路內(nèi)的放大器和直流 - 直流轉(zhuǎn)換器的控制環(huán)路的參數(shù)進行測量。接收機端口可以精確地測量放大器的 CMRR/PSRR 和 PDN 毫歐量級的輸出阻抗，并且消除了測量中接地環(huán)路引入的測量誤差。
E5061B-3L5的內(nèi)置的直流偏置源可以從儀表內(nèi)部把最高可達 ±40 Vdc 的直流偏置電壓疊加到從端口 1 或 LF OUT端口上輸出的交流信號上。此外，如果在儀表的 S 參數(shù)測試端口上對被測器件進行測量時，它還可以從 LF OUT端口輸出直流電壓。

10GHz以上SerDes信號品質(zhì)測量
SerDes是10GHz以上數(shù)字系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件，一般被集成在FPGA或其他芯片內(nèi)部。它的輸出信號的信號品質(zhì)關(guān)系到信號傳輸?shù)木嚯x，互連系統(tǒng)可靠性等多個方面。雖然現(xiàn)在芯片內(nèi)部集成了內(nèi)部誤碼儀iBERT等眼圖掃描工具，SerDes的信號品質(zhì)測量仍然是必測項目。表/圖9列出了SerDes信號品質(zhì)測試內(nèi)容和典型要求。

表/圖9. SerDes 典型信號品質(zhì)參數(shù)要求

抖動定義為信號的某特定時刻相對于其理想時間位置上的短期偏離。高速SerDes的信號品質(zhì)參數(shù)對抖動要求非常高，不僅僅要關(guān)注總體抖動，還需要關(guān)注抖動成分。抖動成分關(guān)系圖示如圖10所示。


圖10. 抖動成分關(guān)系圖


隨機抖動RJ是不能預(yù)測的定時噪聲，因為它沒有可以識別的模式。典型的隨機噪聲實例是在無線電接收機調(diào)諧到?jīng)]有活動的載頻時聽到的聲音。盡管在理論上隨機過程具有任意概率分布，但我們假設(shè)隨機抖動呈現(xiàn)高斯分布，以建立抖動模型。這種假設(shè)的原因之一是，在許多電路中，隨機噪聲的主要來源是熱噪聲(也稱為 Johnson 噪聲或散粒噪聲)，而熱噪聲呈現(xiàn)高斯分布。另一個比較基礎(chǔ)的原因是，根據(jù)中心極限定理，不管各個噪聲源采用什么分布，許多不相關(guān)的噪聲源的合成效應(yīng)該接近高斯分布。高斯分布也稱為正態(tài)分布，但它的一個最重要的特點是：對高斯變量，它可以達到的峰值是無窮大，所以用RMS值表征隨機抖動。
確定抖動DJ是可以重復(fù)的、可以預(yù)測的定時抖動。正因如此，這個抖動的峰到峰值具有上下限，在數(shù)量相對較少的觀察基礎(chǔ)上，通常可以以高置信度觀察或預(yù)測其邊界。DDJ和PJ根據(jù)抖動特點和根本成因進一步細分了這類抖動。影響確定性抖動的關(guān)鍵因素是互連通道的損耗，損耗產(chǎn)生碼間干擾抖動ISI。對于損耗可以用預(yù)加重和均衡的辦法處理。
總體抖動TJ是隨機抖動RJ和確定性抖動DJ的卷積關(guān)系。對于高速SerDes和高速數(shù)字系統(tǒng)，抖動都是第一重要參數(shù)，有時眼圖不滿足要求，系統(tǒng)仍然正常，但是抖動不滿足要求，一般都會出問題。
數(shù)字信號的眼圖包含豐富的信息，體現(xiàn)數(shù)字信號的整體特征，能夠很好的評估數(shù)字信號的整體品質(zhì)。對于高速SerDes信號，時鐘是內(nèi)嵌的，這時候需要儀器從串行信號中恢復(fù)時鐘，以恢復(fù)的時鐘為基準(zhǔn)來形成眼圖，如圖11所示。現(xiàn)代的寬帶示波器一般提供多種時鐘恢復(fù)方式供選擇，測試高速SerDes信號最常用的是Golden PLL方法，要根據(jù)具體規(guī)范的CDR響應(yīng)曲線選擇一級或二級鎖相環(huán)，仔細設(shè)置時鐘恢復(fù)參數(shù)。


圖11. 高速SerDes信號眼圖的形成
高速SerDes信號由發(fā)射端通過傳輸介質(zhì)或通道（如：背板、電纜、電路板）向接收端發(fā)送。當(dāng)信號速率增加時，信號所經(jīng)過的通道或傳輸介質(zhì)產(chǎn)生衰減，使信號在接收端出現(xiàn)失真，從而導(dǎo)致眼圖部分或完全閉合，使接收端無法正確提取或恢復(fù)時鐘/數(shù)據(jù)。為了使眼圖重新張開，必須正確提取或恢復(fù)時鐘和數(shù)據(jù)，均衡技術(shù)就是為解決這一問題而存在的。
在圖12中可以看到，一個張開、清晰的眼圖由發(fā)射端出發(fā)，經(jīng)過通道進行傳送時，通道帶來的隨機噪聲、串?dāng)_和符碼間干擾（ISI）使信號發(fā)生失真，導(dǎo)致眼圖閉合。隨后，使用均衡技術(shù)校正補償ISI帶來的誤差，使眼圖得以部分張開。

圖12. 高速串行信號傳輸中的均衡

對于20GHz以上的高速SerDes信號品質(zhì)測量，必須運用均衡技術(shù)，一般采用CTLE均衡，在均衡之后再進行眼圖和波形參數(shù)的測量。90000Q和86100D寬帶示波器內(nèi)置多種均衡算法，可根據(jù)需要設(shè)置均衡參數(shù)或自動設(shè)置均衡參數(shù)，滿足各種信號的測量要求。
90000Q和86100D示波器是測試高速SerDes信號品質(zhì)的工具，它們的性能指標(biāo)列舉如表/圖13所示。

表/圖13. 90000Q和86100D典型性能指標(biāo)

工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線標(biāo)準(zhǔn)一致性測量
云計算設(shè)備使用了各種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線，對這些工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線進行規(guī)范一致性測量是確保系統(tǒng)工作穩(wěn)定和可靠的關(guān)鍵點之一。表/圖14分類列舉了幾類工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線，及其規(guī)范要求的測試參數(shù)。

表/圖14. 各類工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線及其規(guī)范要求的測試參數(shù)

測試這些工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線，完整和可靠的測試方案是非常重要的。完整的測試方案不僅僅保證測試準(zhǔn)確度，還可以大量節(jié)省測試時間，提高工作效率。
工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線完整的測試方案一般包括幾個部分：測試夾具，探頭和附件，自動測試軟件，測試儀器。自動測試軟件可以控制多種儀器，自動測試規(guī)范要求的參數(shù)，自動判斷結(jié)果PASS還是FAIL，自動生成測試報告。圖15是10Gbase-T測試的例子。
10Gbase-T的輸出跌落/定時抖動/時鐘頻率要求用實時示波器測試；線性度/功率譜密度PSD/功率電平要求用頻譜分析儀測試；回波損耗要求用網(wǎng)絡(luò)分析儀測試。沒有自動測試軟件，測試是異常困難和耗時的工作。


圖15. 10Gbase-T自動化測試系統(tǒng)

3mv(PP)電源紋波測量
10Gbps及以上的SerDes要求給其供電的PDN的電源紋波低于3mv(PP)，這個要求非常高。測試電源紋波的儀器是示波器，但是要測試出3mv(PP)的電源紋波，必須用低噪聲，高精度的示波器。
90000A示波器已經(jīng)在多個用戶處做過測試而被證明是滿足要求的示波器，市場上同類產(chǎn)品卻不能滿足要求，原因有二點：其一，90000A獨特的封閉式模擬前端設(shè)計保證低噪聲和高測試一致性；其二，90000A支持滿足要求的帶通濾波能力。
紋波要求的測試帶寬是10KHz到20MHz，90000A內(nèi)置低通和高通濾波器，組合產(chǎn)生帶通濾波器，滿足測試要求。
90000A示波器的模擬前端設(shè)計頗具特色，如圖16所示。這個模擬前端是一個多模芯片，電子衰減器，放大器，觸發(fā)器被裸封到法拉第屏蔽箱箱體里，與外界隔絕，保證了低噪聲和高可靠。

圖16. 90000A示波器的模擬前端多模芯片設(shè)計


50fs時鐘抖動測量
超過10Gbps的SerDes對參考時鐘的要求異?？量?，要求參考時鐘的抖動低于100fs，甚至達到50fs的數(shù)量級。傳統(tǒng)使用示波器的測試方法已經(jīng)不能滿足要求，因為示波器自身的抖動測量本底已經(jīng)超過100fs數(shù)量級。所以測量低于100fs抖動需要采用更高精度的儀器，信號源分析儀或相噪分析儀是一個非常好的選擇。
E5052B信號源分析儀是測量晶振、PLL、時鐘電路、相位噪聲的常用儀器，內(nèi)部采用獨特的設(shè)計方法使得測量精度達到50fs數(shù)量級，原理框圖如圖17所示。信號源分析儀采用相參接收機的方法降低儀器的本底噪聲。信號進入儀器內(nèi)部，分為兩路，每路先用超低相噪本振進行混頻，然后通過低通濾波器和放大器后用高精度ADC進行數(shù)據(jù)采集，采集后由FPGA進行FFT和相關(guān)運算處理，以去除儀器混頻器/放大器/ADC等所帶來的噪聲。因為噪聲是隨機分布的，而信號是固定的，所以相關(guān)運算處理可以去除噪聲，而且相關(guān)運算次數(shù)越多，測試精度越高，不過測試速度也會相應(yīng)的變慢。

圖17. 信號源分析E5052B原理框圖

E5052B信號源分析儀特別設(shè)計了一個軟件E5001A SSA-J，專門應(yīng)對高精度時鐘抖動測量的要求，幫助使用者快速測量和分析抖動，而不需要自己動手把相噪曲線轉(zhuǎn)換成時域抖動數(shù)值。

功率譜/功率電平/串?dāng)_等測量
對于象10Gbase-T這樣的高速接口總線，功率譜/功率電平測試是非常重要的測試項目，而因為示波器自身接收靈敏度和動態(tài)范圍的限制，必須用更高精度的儀器來進行這些頻域參數(shù)的測量。另外，對一些串?dāng)_和輻射的測量和定位也需要高接收靈敏度和大動態(tài)范圍的儀器。所以頻譜分析儀在高速數(shù)字領(lǐng)域的應(yīng)用變得越來越廣泛，以PXA N9030A為例，表/圖18列出了關(guān)鍵指標(biāo)。從這些指標(biāo)可以看出，比示波器高出幾個數(shù)量級，可滿足越來越多的高速數(shù)字系統(tǒng)，特別是20GHz以上數(shù)字系統(tǒng)的測量需要。

表/圖18.PXA頻譜分析儀關(guān)鍵指標(biāo)和規(guī)范值

總結(jié)
設(shè)計一個高性能和高可靠的云計算設(shè)備是非常復(fù)雜的一件研發(fā)工作，特別是現(xiàn)在要求信號速率超過20GHz的時候。電子測量的重要性超越了先前電子系統(tǒng)，因為每個測量參數(shù)的要求都達到了異?？量痰某潭?。為此，我們需要使用各種專業(yè)的電子測量儀器來進行仔細測量和分析，而不能象先前一樣，只是用一臺示波器完成幾乎所有的工作。
于此，多種儀器派上了用場，高性能寬帶示波器，高頻矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，低頻網(wǎng)絡(luò)阻抗分析儀，信號源相噪分析儀，高性能頻譜分析儀等射頻微波領(lǐng)域的儀器可以發(fā)揮性能優(yōu)勢，用于數(shù)字領(lǐng)域測量。對研發(fā)工程師的要求也逐步提高，不僅僅要掌握時域測量技術(shù)和示波器使用，還需要掌握頻域測量技術(shù)和射頻微波儀器的使用。