Serial ATA II中S參數(shù)和確定性抖動一致性測試

SATA II頻域測試

　　SATA II規(guī)范要求大量的測試，包括電纜和連接器(無源物理層)的時域測試、發(fā)射機和接收機的時域測試、電纜和連接器(無源物理層)的頻域測試、發(fā)射機和接收機的頻域測試等等。其中發(fā)射機和接收機的頻域測試又包括：

a.Tx/Rx 差分回波損耗

b.Rx/Tx 共模回波損耗

c.Rx/Tx 阻抗平衡 (差模到共模轉(zhuǎn)換)

表1提供了Tx/Rx頻域測試的詳細數(shù)據(jù)。

　　在SATA II規(guī)范中詳細描述了所有時域測試。本應(yīng)用指南將重點介紹頻域測試，并在最后討論最大碼間干擾測試。

表1：Tx/Rx頻域測試的詳細數(shù)據(jù)（略）

S參數(shù)背景知識

　　S參數(shù)使用每個端口上的入射波和反射波定義。每個Sij 參數(shù)都是端口j上的反射(或發(fā)射)波與端口i上的入射波之比。

圖1 Sij參數(shù)是j上的反射（或發(fā)射）波與端口上的入射波之比（略）

　　反射或傳輸通稱為“散射”。如果假設(shè)發(fā)射功率為1/2|Vi+|2，那么每個端口上的電壓可以定義為，V=V++V-，電流可以定義為I=I++I-。對可逆聯(lián)接(如互連)，散射矩陣是對稱的，即S21=S12。

　　盡管4端口是2端口定義的直接擴展，但對于4端口來說，圖像要更加復(fù)雜。

圖2 對4端口，在計算S參數(shù)矩陣時涉及更多的電壓和電流值（略）

　　差分測量和共模測量是測試中的關(guān)鍵。差分測量在線路之間進行，共模測量則從捆在一起接地的多條線路中進行。

　　在實踐中，激勵和響應(yīng)的類型決定著要考察的S參數(shù)類型。差分激勵和差分響應(yīng)定義了差分S參數(shù)象限，共模激勵和響應(yīng)定義了共模象限，差分激勵和共模響應(yīng)定義了差模到共模轉(zhuǎn)換混合模式象限，共模激勵和差分響應(yīng)定義了共模到差模轉(zhuǎn)換混合模式象限。

圖3 差分S參數(shù)象限和共模象限（略）

　　得到的S參數(shù)矩陣如下：

(略)

　　S參數(shù)在不同程度上與數(shù)字設(shè)計相關(guān)。差分S參數(shù)象限與帶寬和BER/抖動直接劣化有關(guān)。共模與偏移和地面反彈問題有關(guān)?；旌夏Ｊ絼t與電磁干擾(EMI，差模到共模轉(zhuǎn)換)和電磁干擾靈敏度 (EMS，共模到差模轉(zhuǎn)換)有關(guān)。但是，在查找EMI和EMS來源時，通過在時域中查看同一數(shù)據(jù)，可以產(chǎn)生直觀得多的結(jié)果。另一方面，串?dāng)_是插入損耗 (S21)的一種形式，只不過串?dāng)_是從輸入到輸出沒有直接連接的線路之間的插入損耗。
在數(shù)字設(shè)計中，S參數(shù)測量需求(TDNA或FDNA)主要源于需要檢定互連通道的頻域行為，以及許多標準中提出的一致性測試要求。一致性測試要求一般把測量限定在-30dB (SATA的頻域串?dāng)_為-26dB)，互連通道分析要求的測量能力不超過-40 dB，因為在頻域中，-40 dB大約相當(dāng)于整個數(shù)字信號幅度的1%，如圖4所示。

圖4 在頻域中，-40dB大約相當(dāng)于整個數(shù)字信號幅度的1%（略）

時域網(wǎng)絡(luò)分析(TDNA)

　　美國國家標準學(xué)會及美國和海外各種研究機構(gòu)一直在全面研究時域網(wǎng)絡(luò)分析(TDNA)，許多產(chǎn)品已經(jīng)商用化時域網(wǎng)絡(luò)分析技術(shù)。從概念上說，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)和TDNA實現(xiàn)的頻域網(wǎng)絡(luò)分析(FDNA)有明顯的類似之處 (圖5)。

圖5 基于TDR的TDNA系統(tǒng)與VNA的概念框圖（略）

　　其在概念上的主要差異是TDNA使用寬帶步進類信號源，而VNA則使用窄帶正弦波發(fā)生器。此外，TDNA是一種瞬態(tài)測量 (可以觀察到所有轉(zhuǎn)換)，而FDNA則是一種固態(tài)測量，即所有轉(zhuǎn)換集總在一起，在單一頻率上進行測量，并采用窄帶濾波技術(shù)，最大限度地降低噪聲效應(yīng)。

　　VNA是為微波設(shè)計的，其目標應(yīng)用包括微波濾波器和混頻器設(shè)計。由于極高的動態(tài)范圍，導(dǎo)致了人們需要開發(fā)出某些非常先進的校準程序(如短路-開路-負荷-直通(SOLT)或直通-反射-線路(TRL))，儀器的整體設(shè)計目標并不是簡便易用，而是為了實現(xiàn)這種超高動態(tài)范圍。因此頻域成為微波設(shè)計的首選域。但是，正是使FDNA非常精確的這些校準程序，使得這些儀器使用起來要困難得多，在執(zhí)行要求的測試時需要耗費的時間也多得多，在涉及生產(chǎn)測試時，這尤其不受工程師歡迎。

　　TDNA是作為TDR技術(shù)的延伸開發(fā)的。TDR對數(shù)字設(shè)計人員來說要比對微波設(shè)計人員更加直觀，所以，把TDR轉(zhuǎn)換成S參數(shù)數(shù)據(jù)對數(shù)字設(shè)計人員來說是一個直觀簡明的過程。盡管可以對TDNA應(yīng)用高級校準(如SOLT和TRL)來改善精度，但這些程序使得TDNA測量的簡便性和直觀性大大下降。即使沒有這些校準程序，TDNA的動態(tài)范圍仍能達到-50到-60 dB的范圍，足以適應(yīng)數(shù)字設(shè)計或信號完整性中的典型測量，如圖4所示。通過提高時域采集窗口中的點數(shù)和平均次數(shù)，可以改善TDNA的動態(tài)范圍；提高平均次數(shù)和點數(shù)所起的作用與FDNA中的窄帶濾波相同。從整體上看，業(yè)內(nèi)已經(jīng)廣泛研究FDNA和TDNA之間的關(guān)系，并已經(jīng)得到SATA標準的充分認可。再加上TDNA系統(tǒng)的成本明顯低得多，TDNA解決方案為進行SATA 一致性測試提供了非常簡便易用的解決方案。

　　還有一點需要指出，SATA II的一致性測試點采用的定義方式，使得全面配對的連接器必須是一致性測試的一部分。一致性測試點定義成在無源物理層測量中必須包括全面配對的連接器。必須反插SATA插座，不包括電路板上接插的連接器。盡管使用VNA完成這一任務(wù)并不是沒有可能，但這種方法給VNA測量帶來了另一層復(fù)雜性。同時，在TDNA中，校準容易(僅要求短路、開路或直傳參考)使得工程師能夠非常簡便地反插SATA插座，為TDNA方法提供了另一個優(yōu)勢。從整體上看，如圖6所示，夾具反插使VNA的精度優(yōu)勢蕩然無存，而TDNA的易用性和高吞吐量優(yōu)勢完好無缺，使得TDNA方法對SATA II 一致性測試的吸引力大大提高。

圖6 一致性測試點采用的定義方式（略）

進行特定頻域SATA測試

　　使用TDNA方法執(zhí)行頻域SATA測試的典型設(shè)備包括：

1. 泰克TDS8200取樣示波器

2. 兩個80E04 TDR取樣模塊 (或80E04和80E03非TDR取樣模塊各一個)，以執(zhí)行差分傳輸

3. 泰克IConnect TDR和VNA軟件。IConnect S參數(shù)和Z-line (80SSPAR)對僅執(zhí)行S參數(shù)測試足夠了；進行最大ISI測試則要求全面配置的IConnect (80SICON)

4. 相應(yīng)長度的SMA成套電纜

5. 兩個SATA-II 無源測試夾具

　　在執(zhí)行TDNA測量時，在采集窗口中包括與DUT對應(yīng)的所有轉(zhuǎn)換至關(guān)重要，這可以把瞬時時域測量正確轉(zhuǎn)換成固態(tài)S參數(shù)測量。過早地截去窗口會產(chǎn)生低頻錯誤；窗口太長則會不必要地降低測量的動態(tài)范圍。
此外，時域采集窗口中只需包括測量的反射邊沿，而入射邊沿則在窗口之外。

圖7 從TDNA方法中獲得S參數(shù)的相應(yīng)采集窗口（略）

　　對有源設(shè)備(磁盤驅(qū)動器發(fā)射機和接收機)測量，如果設(shè)備是AC耦合，那么可以使用上面的程序直接進行測試。如果設(shè)備是DC耦合，那么設(shè)備應(yīng)在測試過程中保持休眠模式。如果不可能把設(shè)備置于休眠模式，那么在測試過程中使用DC阻塞電容器，在TDR測量中去掉設(shè)備信標。

　　為測量有源設(shè)備上的回波損耗(Sdd11)，在一致性測試點上需要一個差分參考，在DUT加電時需要來自DUT的差分響應(yīng)。通過獲得開端反射，可以方便地獲得差分參考，最好是使用測試電路板上的專用結(jié)構(gòu)，其走線長度與DUT走線相同，但沒有連接到SATA 連接器上(通過這種方式，可以保證在正確的一致性測試點上進行測試)。當(dāng)示波器以差分模式運行時，可以獲得示波器中正電壓通道和負電壓通道之差。在設(shè)備加電時，獲得差分DUT 響應(yīng)，以保證激活芯片上端接電阻器。下面的實例說明了對磁盤驅(qū)動器發(fā)射機進行的差分回波損耗測量。接收機的測量方式在很大程度上與此相同。

圖8 差分發(fā)射機回波損耗測量和獲得插入損耗要求的時域波形（略）

　　在共模測量中，要求共模參考和響應(yīng)TDR波形。共模參考使用SATA測試電路板上相同的參考開路走線獲得，是示波器設(shè)為共模激勵時示波器上正電壓通道和負電壓通道之和。下面的實例說明了硬驅(qū)接收機的這一測量，發(fā)射機的測量方式與此相同。

圖9 共?；夭〒p耗測量和要求的時域波形（略）

　　阻抗平衡 (混合模式回波損耗或Sdc11) 在啟動共模激勵時測得，參考波形是兩條通道上的電壓之和，而響應(yīng)則是兩條通道之差。在理想的阻抗平衡下，兩條通道之差在時域中應(yīng)該為0V，這種差值將非常清楚地捕獲失衡，然后可以把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到頻域中，顯示為Sdc11。

圖10 阻抗平衡測量和獲得測量損耗要求的時域波形（略）

　　對無源物理層，也可以使用IConnect測量插入損耗 (Sdd21)和頻域串?dāng)_ (Sdd21的另一種形式)。對內(nèi)部媒體，最大測試指標是4.5 Ghz 以下時插入損耗為-6dB，在4.5 Ghz時串?dāng)_為-26 dB。所有這些測試都使用真正差分模式的TDS8200完成，即兩個信號源同時打開。真正差分測量特別有益于串?dāng)_測量，在TDNA中是簡單得多的一項測量 (在VNA中，由于儀器的單端特點，只能在生成整個S矩陣時生成串?dāng)_測量)。可以使用大多數(shù)SATA無源測試電路板上的直傳參考走線，方便地獲得差分參考，其是示波器在差分模式下運行時示波器正電壓通道與負電壓通道之差。
下面是SATA電纜組件的插入損耗測量結(jié)果。

圖11 插入損耗測量和獲得插入損耗要求的時域波形（略）

　　下面是頻域串?dāng)_測量實例。

圖12 頻域串?dāng)_測量和要求的時域串?dāng)_波形（略）

　　這兩個測量都表明DUT通過測試，這一設(shè)備在4.5 Ghz以下時的插入損耗不差于-3.12 dB，串?dāng)_不差于-37.1 dB。

最大ISI測量

　　使用IConnect (80SICON)可以有效執(zhí)行另一項測量是無源物理層設(shè)備上的最大ISI測試，如電纜組件。由于無源物理層中的確定性抖動特點，在IConnect中可以把差分傳輸測量以SATA II速度轉(zhuǎn)換成眼圖，以測量確定性峰到峰抖動(最大ISI)。在這一測量中，也可以隨時反裝夾具，因此IConnect成為非常高效的測量方法。SATA II規(guī)范規(guī)定：
對這一設(shè)置，觀察和記錄電纜夾具固有的RJ和DJ，直到所有SMA與電纜接續(xù)電路板上都應(yīng)存在的2X校準/參考軌跡。

　　在IConnect中，與S參數(shù)測量一樣，測試夾具抖動作為測量的一部分全面反嵌，然后可以在測試夾具輸入上連接差分碼型信號源。通過夾具以3.0Gbps速率生成單獨的碼型。

　　單獨的碼型定義如下：0011 0110 1111 0100 0010 0011 0110 1111 0100 0010。IConnect預(yù)先把其定義為標準設(shè)置之一，可以作為*.mts (mask) SATA-II文件的一部分加載。

　　使用JMD，評估電纜末端引入的確定性抖動(DJ)。記住，測試夾具和激勵系統(tǒng)導(dǎo)致的確定性抖動。由于從最終結(jié)果中不能去卷積入射(測試系統(tǒng)導(dǎo)致的) DJ，因此在執(zhí)行這一測量時使用優(yōu)質(zhì)(低抖動)夾具和激勵源至關(guān)重要。

　　可以在IConnect中簡便地去卷積掉所有這些抖動， 用戶不必擔(dān)心夾具對整體測量的影響。

　　此測量實例中，DUT的峰到峰抖動測得為21 ps，遠遠低于SATA II的最大ISI要求。

圖13 最大ISI測量和要求的時域波形（略）

小結(jié)

　　本文演示了經(jīng)濟高效的SATA-II 一致性測試程序，重點是無源物理層 (磁盤驅(qū)動器發(fā)射機/接收機通道和電纜組件)測試，以及測量有源設(shè)備的輸入回波損耗。用來測量回波損耗、插入損耗和頻域串?dāng)_的TDNA方法使這些測量快速、經(jīng)濟，并且不會損害要求的精度。最大ISI測量則進一步使得測試工程師能夠在一個TDR平臺上，通過增加后期處理軟件，對SATA II進行全套電纜組件測試。