1. 引言

高速數(shù)字信號(hào)在通過(guò)傳輸路徑后，會(huì)由于路徑的自身特性對(duì)信號(hào)造成失真等影響，信號(hào)完整性是指信號(hào)在傳輸路徑上的質(zhì)量。數(shù)字電路剛出現(xiàn)時(shí)，由于傳輸信號(hào)速率很低，在電路分析時(shí)采用低頻和直流的方法就可以，但隨著數(shù)字信號(hào)頻率越來(lái)越高，電路的高頻特性越來(lái)越顯現(xiàn)出來(lái)，需要借助更精確的手段加以分析評(píng)估。

信號(hào)完整性的測(cè)試手段種類(lèi)繁多，有頻域和時(shí)域法，還有一些綜合性的手段，比如誤碼率測(cè)試，實(shí)驗(yàn)室通常會(huì)配備示波器和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀等儀器進(jìn)行分析測(cè)試。羅德與施瓦茨公司（R&S）矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀ZNB和ZNBT相比傳統(tǒng)的信號(hào)完整性測(cè)試儀器，同時(shí)具備了時(shí)域和頻域測(cè)量功能，基于矢網(wǎng)豐富的誤差校準(zhǔn)和高動(dòng)態(tài)范圍，為信號(hào)完整性測(cè)試提供了強(qiáng)大和全面的分析功能。

2. 技術(shù)背景及產(chǎn)品簡(jiǎn)介

對(duì)于設(shè)計(jì)高速器件、無(wú)線組件來(lái)說(shuō)，分析其連接器、PCB板材和傳輸線的時(shí)域響應(yīng)和信號(hào)完整性至關(guān)重要。在信號(hào)完整性分析中，示波器的眼圖功能已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，通過(guò)對(duì)被測(cè)件眼圖的描繪可以得出許多重要的信息，為了使用矢網(wǎng)得到眼圖，首先測(cè)量被測(cè)件的頻域復(fù)S參數(shù)，通過(guò)ZNB/T-K2時(shí)域分析選件，對(duì)頻域參數(shù)進(jìn)行逆傅里葉變換，得到時(shí)域響應(yīng)。ZNB/T-K20增強(qiáng)時(shí)域分析選件根據(jù)定義的比特字符串對(duì)時(shí)域響應(yīng)進(jìn)行卷積后得到眼圖結(jié)果。

許多標(biāo)準(zhǔn)接口，比如E1/T1等，為了避免有太多能量反射，對(duì)阻抗通常都要求。需要進(jìn)行時(shí)頻域阻抗或回波測(cè)試。對(duì)于長(zhǎng)的PCB走線，或者電纜等，在傳輸距離比較遠(yuǎn)，或者傳輸信號(hào)速率非常高的情況下，還需對(duì)線損、線間串?dāng)_等進(jìn)行評(píng)估。而ZNB/T也可對(duì)單端或差分線對(duì)進(jìn)行阻抗與傳輸特性進(jìn)行分析。

圖1 ZNB/T選件功能介紹

3. 矢網(wǎng)的信號(hào)完整性測(cè)試應(yīng)用

3.1 眼圖測(cè)試

眼圖是比特流數(shù)據(jù)在時(shí)域上累積而顯示的圖形，包含了高低點(diǎn)平和這兩種狀態(tài)之間所有轉(zhuǎn)換信息，眼圖的“眼睛”張開(kāi)的大小反映著碼間串?dāng)_的強(qiáng)弱。“眼睛”張的越大，且眼圖越端正，表示碼間串?dāng)_越小，傳輸線傳輸性能越好；反之表示碼間串?dāng)_越大。

圖2 眼圖式樣

ZNB/T上設(shè)置功能如下圖3所示，需要根據(jù)被測(cè)件實(shí)際傳輸速率和電平參數(shù)改變?cè)O(shè)置。

圖3 眼圖測(cè)量設(shè)置界面

1. 選擇儀器內(nèi)置的比特流形式，如PRBS等，同時(shí)可根據(jù)需要設(shè)置測(cè)試比特流的循環(huán)長(zhǎng)度。

2. 根據(jù)比特率確定單個(gè)比特的長(zhǎng)度，以10 Mbit/s為例，比特符號(hào)長(zhǎng)度為100ns，最終網(wǎng)分界面顯示時(shí)間刻度為-100ns~100ns，該數(shù)值與被測(cè)件實(shí)際工作頻率相符合，在大多數(shù)情況下，矢網(wǎng)的最高測(cè)量頻率應(yīng)當(dāng)大于1.5倍的比特速率。

3. 也可根據(jù)用戶實(shí)際業(yè)務(wù)需求載入特定樣式的比特流數(shù)據(jù)。

4. 根據(jù)被測(cè)件傳輸電平設(shè)定“0”和“1”的電平。

5. 模擬比特串的上升時(shí)間，也可定義上升沿對(duì)應(yīng)的電平百分比。

通過(guò)如上設(shè)置，即可實(shí)現(xiàn)眼圖的結(jié)果顯示，同時(shí)可得到關(guān)于眼圖的所有數(shù)值統(tǒng)計(jì)結(jié)果，并支持?jǐn)?shù)據(jù)導(dǎo)出后處理。

圖4 眼圖測(cè)量結(jié)果統(tǒng)計(jì)

針對(duì)特定的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)，如USB3.1，SATA3，HDMI1.4，PCIe3等，需根據(jù)協(xié)議規(guī)定的眼圖模板進(jìn)行測(cè)試，如下圖5所示，被測(cè)曲線“眼睛”中央及上下方區(qū)域即為模板，當(dāng)被測(cè)件結(jié)果觸碰模板區(qū)域時(shí)，即判定被測(cè)件測(cè)試失敗。

圖5 眼圖測(cè)量模板

如圖6所示，在實(shí)際的高速串行鏈路中，為了對(duì)傳輸信道的失真進(jìn)行抵消，往往會(huì)采用發(fā)射端預(yù)加重（Emphasis）和接收端均衡（Equalize）的方式，ZNB/T K20選件提供了多種信號(hào)發(fā)射端預(yù)處理或惡化的仿真設(shè)置，除預(yù)加重外，還提供了抖動(dòng)（Jitter）和噪聲（Noise）的添加，使用者可根據(jù)需求模擬實(shí)際信道傳輸情況，并為改善測(cè)量結(jié)果提供仿真評(píng)估。

圖6 高速串行鏈路示意圖及ZNB/T K20內(nèi)置高級(jí)設(shè)置

K20選件中的均衡器可任意設(shè)置，滿足各種實(shí)際高速數(shù)據(jù)總線的參數(shù)要求，最大化的靈活適應(yīng)實(shí)際測(cè)試場(chǎng)景。

圖7 ZNB/T K20內(nèi)置均衡器設(shè)置

3.2 TDR測(cè)試

在一般情況下，矢網(wǎng)測(cè)量的是被測(cè)器件的射頻性能隨頻率的變化。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)分析儀具有時(shí)域功能時(shí)，測(cè)量結(jié)果以時(shí)間作為水平顯示軸。隨著矢網(wǎng)功能的日趨強(qiáng)大，現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)分析儀在極限情況下已經(jīng)可以測(cè)試5km長(zhǎng)的電纜，位置精度也可以達(dá)到mm 級(jí)，在很多場(chǎng)合下已經(jīng)替代了傳統(tǒng)時(shí)域TDR 進(jìn)行，如脈沖回波損耗、時(shí)域阻抗測(cè)量。

圖8 不同阻抗在時(shí)域下測(cè)量結(jié)果

TDR測(cè)試目前主要使用于PCB(印制電路板)信號(hào)線、以及器件特征阻抗的測(cè)試，并顯示出每個(gè)阻抗不連續(xù)點(diǎn)的位置和特性比。同時(shí)如單端信號(hào)線，差分信號(hào)線，連接器等。

3.3 傳輸線頻域測(cè)試

在使用矢網(wǎng)驗(yàn)證PCB板上的走線與布板時(shí)，往往僅需對(duì)感興趣區(qū)域進(jìn)行測(cè)試，需去除探針、焊盤(pán)、過(guò)孔、管腳帶來(lái)的影響。使用ZNB/T四端口或以上矢網(wǎng)可以將兩路物理端口合并為一路差分邏輯端口，進(jìn)行差分傳輸線測(cè)試，通過(guò)EMStar Smart Fixture Deembedding (SFD) 或AtaiTec In-Situ Deembedding (ISD)這兩種校準(zhǔn)方式進(jìn)行校準(zhǔn)、探針或夾具去嵌入。

圖9 PCB片上測(cè)量

ZNB/T矢網(wǎng)可內(nèi)置校準(zhǔn)界面，在保證測(cè)量精度的情況下，簡(jiǎn)化傳統(tǒng)的校準(zhǔn)步驟，提高了PCB片上測(cè)量的易用性。結(jié)果同時(shí)顯示在界面中，包含差分S參數(shù)，差共模抑制，阻抗等。

圖10 ZNB/T內(nèi)置PCB測(cè)量校準(zhǔn)界面

4. 小結(jié)

R&S公司ZNB/T矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀提供了信號(hào)完整性測(cè)試的新思路，時(shí)頻域同時(shí)顯示大大簡(jiǎn)化了測(cè)試系統(tǒng)搭建的復(fù)雜度，降低了測(cè)試成本，差分端口設(shè)置和靈活的校準(zhǔn)去嵌入方法保證了各種測(cè)試場(chǎng)景下的適用性。

羅德與施瓦茨公司自成立至今的八十多年間，一直致力于為無(wú)線電通信提供高性能的測(cè)試與測(cè)量?jī)x器。