高速背板互連系統(tǒng)測試技術(shù)和信號完整性分析

高速背板互連設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

如今的電信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、復(fù)雜計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等都依賴于高速串行數(shù)據(jù)傳輸，而前沿?cái)?shù)字設(shè)計(jì)師們往往將系統(tǒng)能夠達(dá)到的性能極限施壓于銅材。隨著超過1Gbps的串行鏈路的增多，信號完整性問題開始暴露出來，針對這類高速通道的物理層進(jìn)行信號完整性優(yōu)化，會收到驚人的效果。如果采用合適的設(shè)計(jì)工具和設(shè)計(jì)方法，我們就能清楚地了解信號傳輸?shù)幕驹怼榱舜蚱普渍孜坏慕缦蓿?a target="_blank">網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和路由器中采用了一種先進(jìn)的背板技術(shù)。這一成就部分得益于物理層元件中復(fù)雜的設(shè)計(jì)技術(shù)。設(shè)計(jì)過程的大部分時(shí)間都用在建模、仿真和測量驗(yàn)證上，利用既具備時(shí)域分析能力也具備頻域分析能力的設(shè)計(jì)工具，我們可以將反射、串?dāng)_、阻抗失配和損耗這些復(fù)雜的現(xiàn)象均直觀地顯示出來。

如今，業(yè)界已經(jīng)開發(fā)一個(gè)10Gbps以太網(wǎng)的背板標(biāo)準(zhǔn)，作為802.3ap標(biāo)準(zhǔn)的一部分。其目的是利用普通的銅背板，不依靠光介質(zhì)，在線路卡間傳送10Gbps的以太網(wǎng)信號。為了達(dá)到高速數(shù)據(jù)傳輸目的，新的10Gbps串行信令方案的開發(fā)有了令人激動的進(jìn)展，但最終的串行數(shù)據(jù)傳輸率上限很有可能受到物理層背板的信號完整性問題的限制。要想在整個(gè)背板上的芯片到芯片通道上全部實(shí)現(xiàn)一個(gè)阻抗受控的環(huán)境，需要設(shè)計(jì)人員十分小心謹(jǐn)慎，在這樣的通道中，背板連接器則起著十分重要的作用。

圖1是典型的高速背板互連系統(tǒng)，一個(gè)單板上的芯片驅(qū)動串行信號通過單板，連接器，背板，連接器和另一個(gè)單板，到達(dá)接收端芯片。這個(gè)高速信號路徑是典型的背板互連系統(tǒng)，現(xiàn)在業(yè)界通常的速率達(dá)到6.25Gbps，采樣10Gbps以太網(wǎng)的背板速度高達(dá)10.3125Gbps，仿真，設(shè)計(jì)和驗(yàn)證都是非常復(fù)雜。

圖1 典型的高速背板互連系統(tǒng)

高速背板互連測試概述

數(shù)字通信系統(tǒng)在較低的信號速率時(shí)，這些互連的電長度很短，驅(qū)動器和接收機(jī)一般是導(dǎo)致信號完整性問題的最主要因素。但隨著時(shí)鐘速率、總線速率及鏈路速率突破每秒千兆大關(guān)，物理層特性測試正變得日益關(guān)鍵。時(shí)域分析一般用來描述這些物理層結(jié)構(gòu)的特征，但通常情況下，設(shè)計(jì)人員在測試時(shí)往往只考慮器件工作在其被期望的工作模式上時(shí)的情況。為了獲得一個(gè)完整的時(shí)域信息，必須要測試反射和傳輸（TDR和TDT）中的階躍和脈沖相應(yīng)。為了全面描述物理層結(jié)構(gòu)的特征，還必須進(jìn)行頻域分析。S參數(shù)模型說明了這些數(shù)字電路結(jié)構(gòu)所展示出來的模擬特點(diǎn)包括：不連續(xù)點(diǎn)反射、頻率相關(guān)損耗、串?dāng)_和EMI等性能。為使設(shè)備性能符合標(biāo)準(zhǔn)，眼圖增加了重要的統(tǒng)計(jì)分析功能。為利用全面特性檢定技術(shù)改善仿真能力，可以采用基于測試結(jié)果的S參數(shù)或RLCG模型提取技術(shù)。

隨著在多種工作模式下進(jìn)行數(shù)字和模擬綜合分析（時(shí)域和頻域）變得越來越重要，要完成這些測試功能，通常需要使用多種測試儀表，同時(shí)操作多種儀表正變得越來越困難。物理層測試系統(tǒng)PLTS是為了解決這種困難而設(shè)計(jì)的。它使用已獲專利的變換算法，自動地在頻域和時(shí)域里表示在所有可能的工作模式（單端、差分、共模和模式轉(zhuǎn)換）下所得到的前向和后向、傳輸和反射的測試數(shù)據(jù)。強(qiáng)大的虛擬碼型發(fā)生器功能可以把用戶定義的二進(jìn)制序列應(yīng)用到被測的數(shù)據(jù)上，形成仿真的眼圖，也可進(jìn)行模板測試。同時(shí)，可以提取高精度的RLCG模型，用來提高建模的仿真的精度。

為了表征高速背板的實(shí)際信號傳輸性能，還需要進(jìn)行背板的有源測試和分析。測試時(shí)在背板的輸入端加載串行數(shù)據(jù)（分別加載理想的，帶抖動的，帶預(yù)加重的，可以調(diào)節(jié)信號速率），在背板的輸出端用示波器測試串行數(shù)據(jù)經(jīng)過背板傳輸后的結(jié)果，從而可以分析出背板對信號的影響，也可以測試出被測背板最高可以傳輸多高信號速率的串行數(shù)據(jù)。當(dāng)進(jìn)行背板的有源測試時(shí)，需要一臺能夠產(chǎn)生不同速率串行數(shù)據(jù)的碼型發(fā)生器或誤碼儀，除了速率可調(diào)外，要能夠產(chǎn)生小抖動、快上升時(shí)間的理想碼型，要能夠產(chǎn)生帶各種抖動成分的抖動碼型，要能夠產(chǎn)生帶預(yù)加重的預(yù)加重碼型等。

高速背板無源測試和分析：時(shí)域分析和頻域分析

高速背板無源測試和分析的連接圖示如圖2所示。對于3.125Gbps以上的高速背板測試，建議使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀VNA代替時(shí)域反射計(jì)TDR。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀具有更高的測試精度（VNA動態(tài)范圍可達(dá)：80dB以上，而TDR一般只有：40dB），更快的測試速度（校準(zhǔn)速度：VNA支持電子校準(zhǔn)件，校準(zhǔn)速度快，精度高，TDR不能支持電子校準(zhǔn)件，校準(zhǔn)速度非常慢；測試速度：VNA一次測量即可，不用做平均，TDR需要多次測量做平均以改善低噪聲）。VNA測試后需要轉(zhuǎn)換成時(shí)域參數(shù)（TDR參數(shù)），TDR測量后需要轉(zhuǎn)換成頻域參數(shù)（S參數(shù)），以從多個(gè)角度測量高速背板。

圖2 高速背板無源測試連接圖示

儀器測量得到單端S參數(shù)之后，還需要將他們轉(zhuǎn)換為平衡的S參數(shù)，才能體現(xiàn)差分設(shè)備的性能。當(dāng)被測設(shè)備具備線性無源的結(jié)構(gòu)時(shí)，這種特殊條件就使得從單端S參數(shù)到平衡S參數(shù)的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換成為可能。PCB跡線、背板、電纜、連接器、IC封裝和其他的互連結(jié)構(gòu)都屬于線性無源結(jié)構(gòu)。根據(jù)線性疊加理論，將圖3左邊矩陣中所有的單端S參數(shù)處理并映射到右邊矩陣中的差分S參數(shù)，然后根據(jù)這些差分S參數(shù)就能深入研究差分設(shè)備的性能，包括設(shè)備對EMI的易感性和EMI輻射大小。

在考察設(shè)備性能時(shí)，差分損耗SDD21通常更為直觀。SDD21是差分信號通過設(shè)備時(shí)的頻率響應(yīng)。當(dāng)頻率較低時(shí)，微孔和標(biāo)準(zhǔn)通孔的性能相近。但當(dāng)頻率較高時(shí)，微孔結(jié)構(gòu)對信號的衰減明顯小于標(biāo)準(zhǔn)通孔。這就意味著微孔的通道結(jié)構(gòu)使得高頻信號通過時(shí)不會被嚴(yán)重衰減，其結(jié)果必然導(dǎo)致眼圖張得更開。而標(biāo)準(zhǔn)通孔在高頻時(shí)，其衰減要大于微孔。

第二組曲線可能直觀性稍差，但它對我們的分析同樣重要。差分反射損耗（SDD11）所描述的是每個(gè)結(jié)構(gòu)中在不同頻率下產(chǎn)生的反射的大小。同樣，兩種通孔結(jié)構(gòu)的低頻響應(yīng)十分類似。但在12GHz 到 20 GHz的頻率上，標(biāo)準(zhǔn)通孔的反射要高于微孔。反射是由于對阻抗環(huán)境的控制不佳造成的，反射零點(diǎn)之間的距離與結(jié)構(gòu)中諧振腔之間的距離有關(guān)。在標(biāo)準(zhǔn)通孔中，反射零點(diǎn)之間的距離與通孔根的長度有關(guān)。

圖3 高速背板互連的頻域參數(shù)（S參數(shù)）和時(shí)域參數(shù)（TDR參數(shù)）表征

物理層測試系統(tǒng)

高速背板互連的時(shí)域和頻域綜合分析變得越來越重要，如果單一測試解決方案能夠全面描述差分高速數(shù)字互連的特性，那么就能夠更好的滿足實(shí)際使用的需求。物理層測試系統(tǒng)PLTS就是為這一目的而設(shè)計(jì)的。PLTS軟件能夠引導(dǎo)使用者完成硬件的設(shè)置和校準(zhǔn)，控制數(shù)據(jù)采集，使用已獲專利的變換算法自動地在頻域和時(shí)域表示在所有可能的互連工作模式（單端、差分、共模和模式轉(zhuǎn)換）下所得到的前向和后向、傳輸和反射的測試數(shù)據(jù)。PLTS軟件強(qiáng)大的虛擬碼型發(fā)生器功能可以把用戶定義的二進(jìn)制序列應(yīng)用到被測的數(shù)據(jù)上，形成模擬的眼圖，直觀評估互連的好壞。PLTS軟件還可以提取高精度的RLCG模型，用來提高建模和系統(tǒng)仿真的精度。

PLTS可以基于TDR或VNA硬件平臺，主要不同之處是性能，基于VNA提供更高的帶寬選擇、更高的幅度和相位精度和穩(wěn)定度、更高動態(tài)范圍（信噪比）和先進(jìn)的校準(zhǔn)（糾錯）技術(shù)。如果在測試時(shí)非常關(guān)注測試結(jié)果的精度和可重復(fù)性，需要選擇VNA。

時(shí)域分析：使用者通常從混合模式時(shí)域開始使用PLTS。開始時(shí)，PLTS將顯示16種參數(shù)的小圖，表示四種互連工作模式：差分、共模及兩種模式轉(zhuǎn)換類型（共模激勵下的差分響應(yīng)，差分激勵下的共模響應(yīng)）。在任何小圖上雙擊鼠標(biāo)，將把選擇的參數(shù)擴(kuò)大到全屏，以進(jìn)行進(jìn)一步分析。

頻域分析：使用者可以點(diǎn)擊選項(xiàng)開始混合模式頻域分析，同樣出現(xiàn)16種參數(shù)的小圖，同樣表示四種互連工作模式下的參數(shù)，只是是頻域參數(shù)，雙擊擴(kuò)展到全屏可以進(jìn)一步分析。

眼圖仿真：通過使用內(nèi)置數(shù)字碼型發(fā)生器功能，使用者可以定義虛擬碼型（最寬：232-1位）。然后，PLTS把所選擇的碼型和被測器件的脈沖響應(yīng)卷積形成精確的基于測試結(jié)果的仿真眼圖。這消除了對硬件脈沖/碼型發(fā)生器的需求，靈活性強(qiáng)，可以進(jìn)行大量的“如果發(fā)生了……，可能會產(chǎn)生怎樣的結(jié)果”的分析。在產(chǎn)生眼圖后，可以使用信號光標(biāo)指示功能，進(jìn)行典型的測量，如抖動，眼圖張開、上升時(shí)間和下降時(shí)間等。

RLCG模型提取：RLCG（電阻、電感、電容和電導(dǎo)）模型描述了無源傳輸線的等效電路模型。從互連測量的S參數(shù)中，PLTS技術(shù)R、L、C、G，復(fù)數(shù)傳播常數(shù)及復(fù)數(shù)特性阻抗，這提供了高度精確、基于測試結(jié)果的耦合傳輸線模型，可以導(dǎo)出導(dǎo)建模和仿真軟件中，如ADS、HSPICE等。

圖4 物理層測試系統(tǒng)PLTS從時(shí)域、頻域、眼圖和建模角度進(jìn)行互連的高級測試和分析

高速背板有源測試分析：眼圖、抖動、碼間干擾和均衡

無源測試分析注重表征高速背板互連系統(tǒng)的電氣性能，是性能參數(shù)，但是對于這樣的性能參數(shù)到底能夠傳輸多高速率的信號，或設(shè)計(jì)的高速背板能否滿足目標(biāo)信號傳輸?shù)囊?，還是沒法直觀的測試出來，所以還需要進(jìn)行有源測試。圖5是高速背板有源測試的連接圖示。使用一臺能夠增加各種抖動（RJ、DJ、ISI、PJ等）和預(yù)加重的碼型發(fā)生器產(chǎn)生需要的串行信號去激勵背板，信號通過背板后用示波器進(jìn)行波形捕獲、測量和分析。其中，需要進(jìn)行均衡分析，因?yàn)?.26Gbps～10Gbps的高速信號通過背板后，眼圖一般不能打開，需要使用示波器的均衡軟件，模擬接收芯片內(nèi)的均衡器，以打開眼圖，然后測試眼圖參數(shù)。

圖5 高速背板有源測試連接圖示

抖動是高速信號性能的關(guān)鍵參數(shù)，不論用探頭做在線測試，或激勵響應(yīng)測試，都需要關(guān)注抖動的參數(shù)，對于高速背板尤其需要關(guān)注碼間干擾ISI抖動成分。

一般這樣定義抖動：“信號的某特定時(shí)刻相對于其理想時(shí)間位置上的短期偏離為抖動”（參考：Bell Communications Research,Inc（Bellcore），“Synchrous Optical Network（SONET） Transport Systems：Common Generic Criteria，TR-253-CORE”，Issue 2，Rev No.1，December 1997），如圖6所示。其中快過10HZ的偏離定義為抖動（Jitter），漫過10Hz的偏離定義為漂移（Wander）。

隨著信號速率的不斷提高和對精度的越來越高要求，需要進(jìn)行抖動成分的分離以更深入表征抖動特征和查找問題根源。一般按圖6進(jìn)行抖動成分的分離。

圖6. 抖動成分分離圖

各個(gè)英文的中文翻譯是，Total Jitter（TJ）：總體抖動；Random Jitter（RJ）：隨機(jī)抖動；Deterministic Jitter（DJ）：確定性抖動；Data Dependent Jitter（DDJ）：數(shù)據(jù)相關(guān)抖動；Periodic Jitter（PJ）：周期性抖動；Inter-symbol Interference（ISI）：碼間干擾；Duty Cycle Distortion（DCD）：占空比失真；Sub Rate Jitter（SRJ）：子速率抖動。

通過抖動的分離，一方面可以幫助我們判斷被測件DUT是否滿足設(shè)計(jì)或規(guī)范要求，另一方面可以幫助我們尋找問題根源，這就是抖動的溯源分析方法。圖7是抖動成因關(guān)系圖。

圖7 抖動成因關(guān)系圖

對于高速背板互連，主要需要關(guān)注：碼間干擾ISI。與數(shù)據(jù)流中的位序列相關(guān)的任何抖動都稱為數(shù)據(jù)相關(guān)抖動DDJ，其中的主要組成成分是ISI。ISI通常是由連接器、電纜、PCB傳輸線、背板等的不足的頻響（阻抗不連續(xù)和損耗的綜合結(jié)果）引起的。不足帶寬對數(shù)據(jù)序列強(qiáng)烈地執(zhí)行低通濾波，由于濾波，波形沒到達(dá)完全的高狀態(tài)或低狀態(tài)，除非有同極性的多個(gè)位連續(xù)出現(xiàn)（注：輪流的 1、0、1、0、1、0 屬于高頻，因?yàn)槊繂挝粎^(qū)間內(nèi)，信號都發(fā)生電壓跳轉(zhuǎn)。連續(xù)的1或0，因?yàn)樾盘栯妷阂恢本S持固定，所以屬于低頻）。圖8所示的不同碼型通過低帶寬的傳輸系統(tǒng)后，增加了碼間干擾ISI抖動成分。

圖8 低帶寬的互連（如高速背板）產(chǎn)生碼間干擾ISI

因?yàn)?.25Gbps到10Gbps的信號通過背板傳輸后，眼圖處于封閉狀態(tài)，需要使用均衡軟件仿真芯片均衡特征以打開眼圖再進(jìn)行參數(shù)測量和分析?，F(xiàn)在的采樣示波器和實(shí)時(shí)示波器都支持均衡功能，一般支持判決反饋均衡DFE和線性前向均衡LFE。可以在軟件里選擇抽頭的數(shù)量，可以輸入抽頭的數(shù)值，亦可以自動獲得抽頭的數(shù)值（相當(dāng)于自適應(yīng)性均衡），如圖9所示。均衡后可以方便測量眼圖，抖動等參數(shù)。

圖9 均衡器改善信號質(zhì)量（右圖藍(lán)色部分為均衡前，紅色眼圖為均衡后）

總結(jié)

信號完整性設(shè)計(jì)測試技術(shù)的進(jìn)步為設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)率高達(dá)10Gbps的高速背板創(chuàng)造了很多機(jī)會，但要想實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，設(shè)計(jì)人員必須對差分傳輸線效應(yīng)和物理結(jié)構(gòu)對信號完整性的影響有一定了解。有多種PCB結(jié)構(gòu)都能幫助提高數(shù)據(jù)流量，條件是在高速串行鏈路內(nèi)正確地實(shí)現(xiàn)他們。今天的高速數(shù)字設(shè)計(jì)工程師必須著眼于未來，采用先進(jìn)的仿真、設(shè)計(jì)、測試和分析工具，才能繼續(xù)保持電信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)和復(fù)雜計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的快速發(fā)展步伐。對于這種高速背板互連的測試，需要從時(shí)域、頻域角度進(jìn)行無源測量，也要從眼圖、抖動、均衡角度進(jìn)行有源測量，總體上是比較復(fù)雜的。