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?？量痰木辰纾娐泛托盘柕臏y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。但是，必須通過校準把測試電纜，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還支持各種校準技術(shù)，以進行精確和快速的校準，這是PLTS軟件的關(guān)鍵價值之一。這些校準技術(shù)如圖5所示。最簡單的校準技術(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（Reference Plane Calibration），但是這些校準技術(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。
所以最常用的校準方法還是TRL和AFR。

圖5. PLTS軟件支持的校準技術(shù)

采用TRL校準技術(shù)的難點是設(shè)計校準件。為此，PLTS軟件能夠提供了TRL校準件設(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校準夾具，并且當用戶的TRL校準夾具制造后，驗證制造的夾具是否滿足要求。
TRL校準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)的串擾，在以前是一件非常困難的事情。PLTS軟件中的差分串擾校準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軟件最大的校準技術(shù)突破是創(chuàng)新了一種自動夾具移除AFR校準方法，不僅僅校準件設(shè)計簡單，校準處理方便，而且校準精度非常高。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?？焖俣鴾蚀_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?？梢砸愿咧眯哦扔^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)的時鐘為基準來形成眼圖，如圖11所示?，F(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、串擾和符碼間干擾（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，它們的性能指標列舉如表/圖13所示。

表/圖13. 90000Q和86100D典型性能指標

工業(yè)標準總線標準一致性測量
云計算設(shè)備使用了各種工業(yè)標準總線，對這些工業(yè)標準總線進行規(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)標準總線，及其規(guī)范要求的測試參數(shù)。

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

測試這些工業(yè)標準總線，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確度，還可以大量節(jié)省測試時間，提高工作效率。
工業(yè)標準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/串擾等測量
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，對一些串擾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。從這些指標可以看出，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)的要求都達到了異常苛刻的程度。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。