【深度好文】一文講透高速信號(hào)完整性分析和測(cè)試

高速IEEE ETH以太網(wǎng)主流速率已經(jīng)從10G支持到100G、200G、400G、800G以及未來(lái)的1.6T，消費(fèi)電子類的高速總線USB3/4/PCIE6的信號(hào)速率已經(jīng)覆蓋了從2.5G到64Gbps的速率范圍，高速FPGA的串行高速接口速率則從8Gbps猛增到28Gbps，DSP和ADC/DAC從3Gbps過(guò)渡到32Gbps。

隨著數(shù)字電路工作速度的提高，PCB、連接器、背板上信號(hào)的傳輸速率也越來(lái)越高，其中串行數(shù)據(jù)通信在傳輸中占據(jù)主導(dǎo)地位。按照最嚴(yán)格性能標(biāo)準(zhǔn)制造的擁有精密設(shè)計(jì)的各種高速互連的PCIE/ETH/VPX背板，以及高速線纜，在當(dāng)今社會(huì)對(duì)于高速信號(hào)需求普遍存在的大背景下變得至關(guān)重要。背板是嵌入式系統(tǒng)中的通信主干，必須按照嚴(yán)格的信號(hào)完整性標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以確保系統(tǒng)內(nèi)模塊之間及時(shí)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)傳輸，要滿足高速傳輸?shù)男阅茴A(yù)期，信號(hào)完整性至關(guān)重要。

由于高速串行信號(hào)傳輸速率不斷攀升，在電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，工程師常常遇到諸多棘手問(wèn)題，諸如：系統(tǒng)不穩(wěn)定、間歇性的死機(jī)、不同產(chǎn)品兼容性差以及經(jīng)常出現(xiàn)誤碼等，而這些現(xiàn)象多半是信號(hào)完整性的問(wèn)題。依照信號(hào)傳輸?shù)耐暾鞒蹋謩e針對(duì) TX 端（發(fā)送端）、傳輸鏈路以及 RX 端（接收端）進(jìn)行測(cè)試，便能夠精準(zhǔn)地定位問(wèn)題根源，從而為后續(xù)的優(yōu)化改進(jìn)工作提供有力依據(jù)，確保高速傳輸系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運(yùn)行。

什么是信號(hào)完整性？

信號(hào)完整性（Signal Integrity，簡(jiǎn)稱SI）是指信號(hào)在線路傳輸過(guò)程中保持質(zhì)量的能力，其核心要求在于確保信號(hào)的完整性、準(zhǔn)確性和可靠性。在電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，如果信號(hào)能夠按照既定的時(shí)序、持續(xù)時(shí)間和電壓幅度到達(dá)接收端，則表明該電路具有良好的信號(hào)完整性。良好的信號(hào)完整性意味著信號(hào)在傳輸和接收過(guò)程中能夠維持規(guī)定的電平和時(shí)序。反之，若信號(hào)完整性差，其影響因素諸多。其中主要是電源完整性問(wèn)題。影響因素包括時(shí)序問(wèn)題、反射、串?dāng)_、傳輸距離、信號(hào)衰減、溫度變化、信號(hào)傳輸介質(zhì)、雜散、地彈、振鈴等，這些都會(huì)對(duì)信號(hào)完整性造成負(fù)擔(dān)，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降、誤碼率增加、功耗增加和性能下降。因此，在高速電路設(shè)計(jì)中，確保良好的信號(hào)完整性至關(guān)重要。

在高速電路設(shè)計(jì)面臨三個(gè)嚴(yán)峻的問(wèn)題：信號(hào)完整性SI ,電源完整性PI,電磁干擾EMI。SI的主要任務(wù)是保證數(shù)字電路各芯片之間信號(hào)的準(zhǔn)確傳遞；PI的主要目的是確保各部分電路和芯片的可靠供電和噪聲抑制；EMI主要目的是確保PCB電路即不干擾其它設(shè)備，也不被其它設(shè)備干擾。值得注意的是SI的問(wèn)題，一半以上是因?yàn)殡娫床缓靡l(fā)的信號(hào)質(zhì)量問(wèn)題，在EMI問(wèn)題中，一個(gè)重要的影響因素是PDN上的高頻噪聲尤其是電源/地之間的高頻噪聲。

如何評(píng)估高速信號(hào)完整性？

在高速信號(hào)傳輸鏈路中互連鏈路上任何一個(gè)環(huán)節(jié)的故障可能影響整個(gè)系統(tǒng)工作的效率以及穩(wěn)定性，對(duì)于測(cè)試人員需要花費(fèi)更多的成本去發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、定位問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題。新標(biāo)準(zhǔn)逐漸從單一互連簡(jiǎn)單要求的基礎(chǔ)上，額外增加協(xié)同整體要求。整個(gè)高速鏈路性能的評(píng)估，包括Tx發(fā)送端，傳輸鏈路，以及Rx接收端三大部分組成，發(fā)送、接收、電纜或者背板需要放在一個(gè)互連鏈路中評(píng)估。評(píng)估時(shí)按照時(shí)域、頻域和其他進(jìn)行不同儀表的選取。

高速鏈路信號(hào)完整性測(cè)試工具

TX發(fā)送端信號(hào)質(zhì)量的評(píng)估

其中TX發(fā)送端經(jīng)常用示波器進(jìn)行波形完整性、時(shí)序完整性、電源完整性、抖動(dòng)/眼圖等測(cè)試。

波形完整性：

主要關(guān)注波形的單調(diào)性（monotonic）、過(guò)沖（overshoot，undershoot）、振鈴（ringing）、衰減。

時(shí)序完整性：

主要關(guān)注建立保持時(shí)間（setup/hold time）、時(shí)序抖動(dòng)（timing jitter）、skew、毛刺等。

電源完整性：

簡(jiǎn)稱PI，是單板電源設(shè)計(jì)的一項(xiàng)技術(shù)，通過(guò)合理的電源平面和濾波設(shè)計(jì)，為單板上的器件提供穩(wěn)定/潔凈的電源供電，保證單板穩(wěn)定工作，所以紋波測(cè)試為電源測(cè)試的必測(cè)項(xiàng)，PI和SI是相互影響的。PI包括電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)、直流壓降分析、電壓瞬態(tài)分析、同步開(kāi)關(guān)噪聲以及器件建模等。

抖動(dòng)/眼圖：

損耗、反射、串?dāng)_三大信號(hào)完整性的殺手給信號(hào)傳輸帶來(lái)巨大影響，會(huì)使信號(hào)的抖動(dòng)變大，眼圖變差，干擾時(shí)鐘恢復(fù)，降低系統(tǒng)性能，進(jìn)而在接收端帶來(lái)誤碼。

在高速串行信號(hào)物理層一致性測(cè)試中，抖動(dòng)和眼圖已經(jīng)成為了一個(gè)繞不開(kāi)的話題，它是評(píng)估高速信號(hào)質(zhì)量的關(guān)鍵測(cè)試。隨著串行數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的信號(hào)速率越來(lái)越高，電壓擺幅不斷降低來(lái)節(jié)約功耗，系統(tǒng)中的抖動(dòng)占信號(hào)區(qū)間的比例正變得越來(lái)越大。因此，抖動(dòng)眼圖已經(jīng)成為限制性能的一個(gè)重要因素。隨著抖動(dòng)的增加，系統(tǒng)誤碼率便會(huì)越大。

抖動(dòng)又可以按照成因分為：TJ、RJ、DJ。DJ中又可細(xì)分為PJ、DCD、ISI/DDJ。

其中Random Jitter(隨機(jī)抖動(dòng))的統(tǒng)計(jì)分布是正態(tài)高斯分布，是無(wú)界抖動(dòng)，隨著樣本量的增加RJ會(huì)一直增加。

然而Deterministic Jitter (確定性抖動(dòng))是有界抖動(dòng)，在達(dá)到有限樣本數(shù)之后，DJ的peak-peak值不會(huì)再增加。

上述抖動(dòng)在測(cè)試中經(jīng)常用來(lái)定位問(wèn)題信號(hào)完整性問(wèn)題來(lái)源，除此之外，我們通常還需要進(jìn)行眼圖的測(cè)試來(lái)直觀的表述信號(hào)質(zhì)量的好壞。眼圖是把連續(xù)的比特流按照某一特定的時(shí)鐘，分割為單獨(dú)的比特，而后疊加而形成的圖形，類似一個(gè)張開(kāi)的眼睛，故得名眼圖(Eye-diagram)。眼圖是高速串行信號(hào)的宏觀信號(hào)質(zhì)量的整體體現(xiàn)，在眼圖中可以直接反映出串行信號(hào)的幅度、抖動(dòng)特性等。

評(píng)估一個(gè)眼圖的好和壞，通常利用一些常見(jiàn)的指標(biāo)來(lái)衡量，比如眼高，眼寬，抖動(dòng)，占空比等。為了簡(jiǎn)單而又直觀地判斷眼圖的指標(biāo)是否符合規(guī)范的要求，眼圖模板測(cè)試是一種評(píng)估高速串行信號(hào)質(zhì)量的手段，將規(guī)范指標(biāo)的要求編寫(xiě)成一個(gè)眼圖模板，然后利用示波器來(lái)調(diào)用這個(gè)模板，這樣就可以直觀看到眼圖是否有碰到模板。如果眼圖沒(méi)有碰到模板區(qū)域，表示眼圖符合規(guī)范要求，結(jié)果是Pass；同樣如果有碰到模板區(qū)域，結(jié)果是Fail，需要工程師對(duì)電路進(jìn)行整改，改進(jìn)信號(hào)質(zhì)量到Pass。

均衡技術(shù)：

隨著高速串行信號(hào)的數(shù)據(jù)速率的越來(lái)越高，如PCIE6.0的數(shù)據(jù)速率已經(jīng)達(dá)到64GT/s，USB4.0 V2的信號(hào)速率已經(jīng)達(dá)到80Gb/s。高速信號(hào)的趨膚效應(yīng)和傳輸線的介質(zhì)損耗，當(dāng)信號(hào)經(jīng)過(guò)傳輸鏈路時(shí)，由于信道損耗、阻抗不連續(xù)、以及其它信道的干擾等，信號(hào)完整性會(huì)變差，信噪比也降低，導(dǎo)致接收端的信號(hào)抖動(dòng)變大，眼圖閉合，系統(tǒng)可能出現(xiàn)誤碼。為了改善接收端信號(hào)質(zhì)量，在接收端能得到比較好的眼圖。通常會(huì)在發(fā)送端做FFE均衡和接收端做均衡來(lái)完成信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，常用的均衡技術(shù)有發(fā)送端的預(yù)加重和去加重以及接收端的CTLE均衡和DFE均衡。

均衡技術(shù)是通過(guò)均衡器（Equalizer）均衡信道的衰減、均衡數(shù)據(jù)的碼間干擾。均衡技術(shù)以前在通信領(lǐng)域使用，隨著高速串行信號(hào)的傳輸速率越來(lái)越高，均衡技術(shù)的使用場(chǎng)合越來(lái)越廣，比如現(xiàn)在的PCIE、USB、HDMI、DDR、DP、TBT等高速信號(hào)中都使用了均衡的技術(shù)。使用了均衡技術(shù)后，補(bǔ)償數(shù)據(jù)的高頻損耗，使信號(hào)的高頻成分與低頻成分基本均衡，從而降低高速信號(hào)的碼間干擾.

其中TX端的預(yù)加重和去加重的目的都是盡量平衡高頻分量和低頻分量，減少傳輸鏈路對(duì)高頻分量衰減大于低頻分量衰減。預(yù)加重技術(shù)就是在傳輸線的始端增強(qiáng)信號(hào)的高頻分量，以補(bǔ)償高頻分量在傳輸鏈路中較大的衰減。去加重則是降低低頻分量的始端信號(hào)。

其中RX端最常用的均衡包括FFE、CTLE、DFE。

FFE實(shí)質(zhì)是使用數(shù)字線性高通濾波器提高信號(hào)的高頻分量，實(shí)現(xiàn)信道的補(bǔ)償, FFE是SerDes系統(tǒng)常用的均衡。為了緩解接收端均衡的壓力，通常SerDes的發(fā)送端會(huì)采用FFE均衡技術(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)均衡。

CTLE是直接通過(guò)線性模擬高通濾波器擬合信道的衰減，實(shí)現(xiàn)信道的補(bǔ)償。信道的頻率響應(yīng)可以看做是一個(gè)低通濾波器，因此將信道和一個(gè)高通濾波器串聯(lián)就能得到一個(gè)全通的濾波器。   

DFE為判決反饋均衡，就是將判決后的信號(hào)反饋到輸入信號(hào)上。與FFE類似，DFE也是通過(guò)數(shù)字高頻濾波器實(shí)現(xiàn)的，DFE可以只放大高頻信號(hào)，而不放大高頻噪聲。

高速傳輸鏈路評(píng)估

隨著信號(hào)數(shù)據(jù)速率的越來(lái)越高，信號(hào)的上升時(shí)間也越來(lái)越快，阻抗不匹配和偏差可能會(huì)導(dǎo)致反射，當(dāng)快上升沿的信號(hào)在電路板上遇到阻抗不連續(xù)的位置就會(huì)產(chǎn)生很大的反射，會(huì)降低信號(hào)質(zhì)量，影響信號(hào)完整性。因此走線阻抗是影響高速信號(hào)完整性的一個(gè)非常關(guān)鍵的因素。

如何驗(yàn)證測(cè)試電纜、連接器、PCB板、背板中差分和單端阻抗是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，成為生產(chǎn)商以及高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)人員必須關(guān)注的問(wèn)題。對(duì)于高速電路，很重要的一點(diǎn)是要保證信號(hào)傳輸路徑上阻抗的連續(xù)性，這樣可以避免信號(hào)產(chǎn)生大的反射。因此需要測(cè)試高速電路板的信號(hào)傳輸路徑上阻抗的變化情況，從而可以分析問(wèn)題原因，更好地定位問(wèn)題的根源，保證高質(zhì)量的產(chǎn)品快速進(jìn)入市場(chǎng)。

在高速信號(hào)電路設(shè)計(jì)中，經(jīng)常采用差分傳輸模式，差分阻抗的測(cè)試不同于單端阻抗測(cè)試；另外，在高速信號(hào)電路中，多個(gè)相鄰的信號(hào)之間會(huì)產(chǎn)生串?dāng)_。對(duì)PCB走線特別是差分走線的阻抗控制提出了更高的要求。如何驗(yàn)證差分阻抗是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求成為高速設(shè)計(jì)的工程師關(guān)注的問(wèn)題。目前驗(yàn)證電纜、連接器、PCB板、背板等傳輸線特性阻抗的最常用方法是TDR方法。

信號(hào)在傳輸鏈路路徑上傳輸時(shí)會(huì)有損耗，反射，串?dāng)_的問(wèn)題，導(dǎo)致信號(hào)發(fā)生畸變。

 損耗：傳輸線的損耗對(duì)不同頻率是不均勻的，頻率越高，損耗越大，上升沿越緩。速率越高，傳輸線越長(zhǎng)，損耗所帶來(lái)的問(wèn)題越嚴(yán)重，眼圖越容易閉合。

反射：傳輸線上分布電容、電感、和小電阻的存在，會(huì)導(dǎo)致傳輸線的分布式阻抗不均勻，信號(hào)流經(jīng)傳輸線時(shí)部分能量會(huì)沿原路反射回去，通常使用TDR來(lái)測(cè)量傳輸路徑的阻抗變化，如下圖：

下面為實(shí)時(shí)示波器TDR阻抗測(cè)試：

串?dāng)_：相鄰?fù)ǖ篱g通過(guò)地線或空間輻射產(chǎn)生的互相影響。頻率越高，串?dāng)_越大。串?dāng)_會(huì)帶來(lái)額外的噪聲，毛刺，抖動(dòng)，并且使得信噪比變差。遠(yuǎn)端串?dāng)_: 同向傳輸(同源)信號(hào)的干擾，幅度高，脈沖很窄。近端串?dāng)_: 反向傳輸(非同源)信號(hào)的干擾，幅度低，脈沖很寬。

信號(hào)在傳輸過(guò)程中，對(duì)不同速率其損耗不同，反射和串?dāng)_都可以導(dǎo)致信號(hào)的波形發(fā)生 失真，導(dǎo)致眼圖閉合。通常使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀VNA進(jìn)行S參數(shù)測(cè)試和TDR或VNA進(jìn)行阻抗測(cè)試。 

RX接收端容限能力的評(píng)估

要滿足高速傳輸?shù)男阅茴A(yù)期，高信號(hào)完整性至關(guān)重要，發(fā)送端一般利用實(shí)時(shí)示波器測(cè)抖動(dòng)和眼圖，接收端需要利用誤碼儀進(jìn)行抖動(dòng)容限測(cè)試和噪聲容限測(cè)試。接收端中包括CDR時(shí)鐘恢復(fù)、復(fù)雜的均衡和信號(hào)調(diào)理等復(fù)雜結(jié)構(gòu)。單純考察發(fā)送端是不足以保證沒(méi)有誤碼，接收端的測(cè)試也是非常重要，各種高速標(biāo)準(zhǔn)也明確提出了接收端容限測(cè)試的規(guī)范。

接收端容限測(cè)試至關(guān)重要。RX接收端是整個(gè)高速鏈路的最終環(huán)節(jié)，接收端測(cè)試由于在芯片內(nèi)部，在絕大多數(shù)場(chǎng)景無(wú)法直接觀測(cè)信號(hào)完整性問(wèn)題。最主流的方式是通過(guò)創(chuàng)建最的壓力眼來(lái)模擬真實(shí)世界最苛刻的運(yùn)行環(huán)境。誤碼儀是構(gòu)建和校準(zhǔn)壓力眼的核心測(cè)試儀器。對(duì)于一個(gè)高速傳輸鏈路，接收端需要在最嚴(yán)苛的環(huán)境中保證可靠的接收傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。發(fā)送端和鏈路上的各種信號(hào)完整性問(wèn)題都會(huì)惡化信號(hào)，減小接收機(jī)的余量。接收端測(cè)試需要誤碼分析儀注入多種不同類型的抖動(dòng)和噪聲等壓力信號(hào)，模擬嚴(yán)苛復(fù)雜的真實(shí)環(huán)境，來(lái)完成RX接收端的抖動(dòng)容限和噪聲容限測(cè)試。誤碼儀是進(jìn)行高速SerDes芯片接收端測(cè)試必備儀器。

測(cè)試原理：

使用測(cè)試儀表產(chǎn)生一個(gè)劣化（注入抖動(dòng)）的眼圖信號(hào)，俗稱壓力眼信號(hào)。壓力眼信號(hào)的參數(shù)有明確規(guī)定,，在不同的規(guī)范中具體指標(biāo)會(huì)有不同。通過(guò)校準(zhǔn)后的壓力眼會(huì)輸入被測(cè)接收機(jī)進(jìn)行抖動(dòng)容限測(cè)試。中星聯(lián)華SL3000B系列高性能誤碼儀可提供PJ、RJ、BUJ等抖動(dòng)注入，可以為RX  JTOL測(cè)試提供強(qiáng)力支持。

測(cè)試流程：

產(chǎn)生規(guī)范要求的抖動(dòng)分量，在不同的頻點(diǎn)上分別產(chǎn)生相應(yīng)的抖動(dòng)量；

將stressed信號(hào)注入DUT Rx；

統(tǒng)計(jì)DUT Tx端發(fā)出的信號(hào)的誤碼率是否達(dá)到要求

注入抖動(dòng)眼圖：

測(cè)試結(jié)果圖：

目前，中星聯(lián)華的高性能誤碼儀是國(guó)內(nèi)首個(gè)支持注入抖動(dòng)和加噪聲創(chuàng)建壓力信號(hào)的高性能誤碼儀，也是目前國(guó)內(nèi)首款能夠滿足接收端抖動(dòng)容限JTOL和噪聲容限ITOL測(cè)試的誤碼儀。其中可支持的注入抖動(dòng)類型有低頻正弦抖動(dòng)、高頻周期抖動(dòng)、BUJ串?dāng)_抖動(dòng)、RJ隨機(jī)抖動(dòng)以及SSC擴(kuò)頻時(shí)鐘等；支持的噪聲類型有CMI和DMI和BBN寬帶白噪聲，有效地解決“卡脖子”的難題。

RX接收端測(cè)試?yán)?mdash;—

中星聯(lián)華高性能誤碼儀

產(chǎn)品特色：

模塊化：多通道靈活配置，單機(jī)支持32發(fā)32收

高速率：1G-120Gbps，數(shù)據(jù)速率靈活可調(diào)

壓力眼：注抖加噪，讓信號(hào)擁有72般變化

UDP：最大可支持16Gbit超長(zhǎng)用戶自定義碼型

中星聯(lián)華高性能誤碼分析儀具有模塊化設(shè)計(jì)、靈活的通道配置、高速率、注抖加噪創(chuàng)建壓力眼信號(hào)、超長(zhǎng)用戶自定義碼型等業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的核心技術(shù)，可用于高速Serdes芯片和高速接口、光芯片、光器件、光模塊、光傳輸、高速互連等領(lǐng)域苛刻的測(cè)試。

未來(lái)，中星聯(lián)華將繼續(xù)秉承開(kāi)放包容的心態(tài)，在產(chǎn)業(yè)龍頭的需求牽引下，在國(guó)家的大力支持下，與國(guó)內(nèi)外同行共同成長(zhǎng)，不斷開(kāi)拓，以開(kāi)放包容的心態(tài)持續(xù)為國(guó)產(chǎn)電子測(cè)量?jī)x器產(chǎn)品體系增磚添瓦，為行業(yè)應(yīng)用打造更多可靠易用的測(cè)試測(cè)量工具！

中星聯(lián)華科技（Sinolink Technologies）成立于2009年，長(zhǎng)期從事高頻率、高速率、大帶寬、寬頻帶測(cè)試測(cè)量技術(shù)研發(fā)，為衛(wèi)星通信、雷達(dá)、復(fù)雜電磁環(huán)境等傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域及5G移動(dòng)通信、高速互連等新興行業(yè)提供穩(wěn)定可靠、性能卓越的專屬測(cè)試測(cè)量工具。

聚焦成就專業(yè)，創(chuàng)新服務(wù)應(yīng)用。深度理解行業(yè)應(yīng)用，依托傳統(tǒng)測(cè)試測(cè)量理論和技術(shù)，協(xié)同行業(yè)領(lǐng)軍精英共同致力于改善測(cè)試工具的實(shí)用性、便捷性和經(jīng)濟(jì)性，幫助工程師將更多時(shí)間與精力投入到研發(fā)、生產(chǎn)的本身。以創(chuàng)新測(cè)試工具加速相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展，推動(dòng)所服務(wù)行業(yè)的迭代更新，為人類文明進(jìn)步增磚添瓦。