如何設(shè)計(jì)出具有優(yōu)異信號(hào)完整性的設(shè)備？

編者注：我在很多場(chǎng)合講過從仿真到測(cè)量這個(gè)話題，最近我也看到了一些調(diào)研數(shù)據(jù)。這個(gè)問題現(xiàn)在在國(guó)內(nèi)來講應(yīng)該算是處于起步階段，但是我相信未來會(huì)越來越好。

數(shù)據(jù)中心利用發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)之間的通道，可以準(zhǔn)確有效地傳遞有價(jià)值的信息。如果通道性能不佳，就可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)完整性問題，并且影響所傳數(shù)據(jù)的正確解讀。因此，在開發(fā)通道設(shè)備和互連產(chǎn)品時(shí)，確保高度的信號(hào)完整性非常關(guān)鍵。測(cè)試、識(shí)別和解決導(dǎo)致設(shè)備信號(hào)完整性問題的根源，就成了工程師面臨的巨大挑戰(zhàn)。本文介紹了一些仿真和測(cè)量建議，旨在幫助您設(shè)計(jì)出具有優(yōu)異信號(hào)完整性的設(shè)備。

中央處理器（CPU）可將信息發(fā)送到發(fā)光二極管顯示器，它是一個(gè)典型的數(shù)字通信通道示例。該通道 — CPU 與顯示器之間的所有介質(zhì) — 包括互連設(shè)備，例如顯卡、線纜和板載視頻處理器。每臺(tái)設(shè)備以及它們?cè)谕ǖ乐械?連接都會(huì)干擾 CPU 的數(shù)據(jù)傳輸。

信號(hào)完整性問題可能包括串?dāng)_、時(shí)延、振鈴和電磁干擾。盡早解決信號(hào)完整性問題，可以讓工程師開發(fā)出可靠性更高的高性能的產(chǎn)品，也有助于降低成本。

通道仿真

工程師通常會(huì)用電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件來創(chuàng)建電路仿真。設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件則是采用逐位和統(tǒng)計(jì)仿真技術(shù)，用以提供快速而準(zhǔn)確的通道仿真。算法建模接口是設(shè)計(jì)軟件所使用的一種標(biāo)準(zhǔn)， 它可以輕松仿真從發(fā)射到接收的多千兆位串行鏈路。

除了仿真軟件以外，工程師還使用眼圖、混合模式 S 參數(shù)、時(shí)域反射測(cè)量之類的信號(hào)分析工具。在仿真從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，示波器上顯示的眼圖可以作為分析參數(shù)，幫助評(píng)估通道性能。

眼圖的寬度和高度是信號(hào)失真的關(guān)鍵指標(biāo)。寬大的眼圖意味著數(shù)據(jù)傳輸良好。閉合的眼圖表示信號(hào)完整性大幅降低。如果發(fā)射機(jī)處的眼圖是開眼，接收機(jī)處是閉眼，下一步就需要確定通道中的哪些設(shè)備或互連導(dǎo)致了信號(hào)衰減。工程師可以直接查看發(fā)射機(jī)輸出端的眼圖，通過每個(gè)互連追溯到接收機(jī)，從中確定導(dǎo)致信號(hào)衰減的組件。

圖 1：閉合的眼圖和正常的眼圖的示例

確定信號(hào)衰減的根本原因

描述給定設(shè)備的頻率特性時(shí)，工程師可以使用 S 參數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)?；ミB的 S 參數(shù)（無論是在時(shí)域還是在頻域中進(jìn)行測(cè)量）代表了互連的特征模型。該參數(shù)涵蓋了信號(hào)從進(jìn)入一個(gè)端口到離開另一個(gè)端口時(shí)的所有特性信息。

為了確定信號(hào)衰減的根本原因，重要的是先要確定您對(duì) S 參數(shù)的期望值。將期望值與測(cè)量值進(jìn)行比較，有助于識(shí)別導(dǎo)致信號(hào)完整性衰減的通道區(qū)域。

接下來，您需要更深入地研究被測(cè)設(shè)備和設(shè)備之間的連接，以便確定根本原因。對(duì)于差分通道，可以使用混合模式 S 參數(shù)進(jìn)行分析。最常見的 S 參數(shù)是與電磁干擾有關(guān)的差分回波損耗（SDD11）、差分插入損耗（SDD21）和差分至共模轉(zhuǎn)換（SCD21）。

在分析傳輸質(zhì)量時(shí)，還需要重點(diǎn)考慮反射因素。每當(dāng)出現(xiàn)瞬時(shí)阻抗變化時(shí)，信號(hào)就會(huì)被反射。反射會(huì)使返回的原始信號(hào)出現(xiàn)延遲（如下圖 2 所示），并與原始信號(hào)結(jié)合而產(chǎn)生干擾。

圖 2：反射對(duì)信號(hào)質(zhì)量的影響

探索和設(shè)計(jì)信號(hào)完整性解決方案

初步找到信號(hào)衰減的根本原因之后，您就需要研究并確定最佳的解決方案。首先，要執(zhí)行去除設(shè)計(jì)缺陷后的仿真測(cè)試，以驗(yàn)證您確實(shí)找到了信號(hào)完整性衰減的根本原因。我們的建議是，與其將刪除有問題的區(qū)域作為解決方案，不如試著在接收機(jī)上添加均衡，例如添加決策反饋均衡

（DFE）、頻域中的連續(xù)時(shí)間線性均衡或時(shí)域中的發(fā)射機(jī)前饋均衡。同樣，您也可以通過仿真來 添加均衡，通過在示波器上實(shí)時(shí)觀察眼圖的變化，即可測(cè)試該均衡是否已經(jīng)解決了信號(hào)完整性衰減的問題。

如圖 3 所示，另一個(gè)測(cè)試選項(xiàng)就是將眼圖模板應(yīng)用于添加均衡之前和之后。在添加均衡之前，圖像相交，表示眼圖閉合。在添加均衡之后，圖像不再相交，表示眼圖打開。

圖 3：使用 DFE 前后的眼圖模板比較

信號(hào)完整性分析

當(dāng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)從仿真階段進(jìn)展到硬件環(huán)節(jié)時(shí)，您需要使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）來測(cè)試高速數(shù)字 互連。首先，您需要對(duì)通道、物理層設(shè)備、連接器、電纜、背板或印刷電路板的預(yù)期測(cè)量結(jié)果有所了解。在獲得實(shí)際測(cè)量結(jié)果之后，再將實(shí)際結(jié)果與這個(gè)預(yù)期結(jié)果進(jìn)行比較。我們的目標(biāo)是，通過軟件和硬件來建立可靠的信號(hào)完整性工作流程。硬件測(cè)量步驟包括儀器測(cè)量設(shè)置，獲取通道數(shù)據(jù)，以及分析通道性能。

對(duì)于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）等高動(dòng)態(tài)范圍的儀器，您需要全面了解誤差校正，才能確保最準(zhǔn)確的 S 參數(shù)測(cè)量。誤差校正包括校準(zhǔn)（測(cè)量前誤差校正）和去嵌入（測(cè)量后誤差校正）。通過調(diào)整校準(zhǔn)和去嵌入的參考點(diǎn)檢查通道中除了 DUT 之外的所有節(jié)點(diǎn)項(xiàng)目。以下內(nèi)容介紹了校準(zhǔn)和去嵌入誤差校正之間的差異以及二者的使用方法。

信號(hào)校準(zhǔn)

默認(rèn)情況下，當(dāng)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）開啟時(shí)，其參考平面位于前面板。將電纜連接到被測(cè)設(shè)備時(shí)，校準(zhǔn)參考必須使用短路-開路-負(fù)載-直通法（SOLT）、直通反射線或直通反射匹配參考結(jié)構(gòu)。SOLT 是最常見的方法。

電纜可以直接連接到 DUT 或夾具。夾具安裝在電纜和 DUT 之間，有助于兼容不同類型的連接器，例如 HDMI、顯示端口、串行 ATA 和 PCI Express。在本示例中，校準(zhǔn)參考面包括電纜，而去嵌入?yún)⒖济姘▕A具。將校準(zhǔn)誤差校正和去嵌入相結(jié)合時(shí)，必須包括通道中與 DUT 的所有互連。連接 DUT 后，您就可以進(jìn)行測(cè)量，并執(zhí)行測(cè)量后（去嵌入）誤差校正。

圖 4：使用參考面進(jìn)行校準(zhǔn)的測(cè)試設(shè)置

去嵌入

完成測(cè)量，在 DUT 的輸入和輸出端設(shè)置去嵌入?yún)⒖键c(diǎn)，以便移除測(cè)試夾具。移除測(cè)試夾具之后，也就去除了引入到系統(tǒng)中的損耗和反射，最終得到 DUT 的準(zhǔn)確 S 參數(shù)測(cè)量和表征結(jié)果。

通過將兩層校正（校準(zhǔn)和去嵌入）的 S 參數(shù)結(jié)果與預(yù)期結(jié)果進(jìn)行比較，您可以進(jìn)行模型調(diào)整以便匹配實(shí)際測(cè)量值，然后繼續(xù)進(jìn)行設(shè)備開發(fā)。

圖 5：使用參考面進(jìn)行去嵌入的測(cè)試設(shè)置

克服信號(hào)完整性問題

隨著數(shù)據(jù)傳輸速度的提高，信號(hào)完整性對(duì)于通道設(shè)備和互連產(chǎn)品越來越重要。為了確保您的設(shè)備具有出色的信號(hào)完整性，首先您要確定好希望獲得的仿真結(jié)果，然后再將其與實(shí)際測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較。

接下來，結(jié)合信號(hào)分析技術(shù)（例如在示波器上顯示的眼圖）和仿真軟件，即可找到導(dǎo)致信號(hào)衰減的根本原因。下一步就是確定合適的解決方案，使用軟件和硬件來建立可靠的信號(hào)完整性工作流程。

必須使用高質(zhì)量的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA），設(shè)置校準(zhǔn)參考面以執(zhí)行 S 參數(shù)測(cè)量，設(shè)置去嵌入?yún)⒖济嬉哉_移除夾具。測(cè)量結(jié)果將會(huì)包括準(zhǔn)確的 S 參數(shù)和可靠的 DUT 特性。盡早解決信號(hào)完整性問題，您就可以優(yōu)化電路設(shè)計(jì)，保證優(yōu)異的設(shè)備性能和出色的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。

審核編輯：劉清