對傳輸鏈路的關注程度越來越高

隨著信號速率躍升到 Gbps 級別乃至今天的幾十 Gbps 和全面的差分串行化，從最初關心的趨膚效應(Skin Effect)問題，開始更多關心介質損耗(Dielectric loss)和抖動等信號完整性問題。從規范定義和芯片設計的源頭開始，對整個傳輸系統里各部件消耗的裕量都進行了嚴格的分配和定義。當然信號傳輸鏈路作為其中重要的組成部分之一，也是廣大業內工程師最重要的工作對象，對最終信號的有效傳輸及對大家的重要性不言而喻。事實上高速串行差分信號的傳輸鏈路在今天由于其信號特點和傳輸系統的需要，早已經突破傳統單板 PCB 形式，引入了長電纜傳輸比如典型外部接口標準如 HDMI,USB3.x及Display Port 等和更長走線的背板比如 100G-KR 等標準。推薦閱讀：

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如下先介紹幾個典型的標準對傳輸鏈路的設計和測試要求。

以 PCIE3.0 為例，針對板內高速差分信號的傳輸的測試采用復制鏈路(Replica Channel)，如下圖示：

圖 1 PCIE3.0 Base 規范關于 TX 測試點位置和測試方法說明

Base 規范要求信號測試點為器件的管腳，但是在實際系統中通常無法得到。因此規范定義了實際測試點 TP1，但是需要得到 DUT 管腳處的信號就需要去嵌(De-Embedding)從管腳到 TP1這段走線(在PCIE Base規范中對這段走線也有專門的要求，具體詳見規范)。因此規范里引入了 Replica Channel，在 Breakout Channel 相鄰區域專門設計一段與 Breakout Channel 相同走線特征包括疊層及阻抗控制等要求的鏈路，然后提取其 S 參數進行去嵌。

典型外部接口標準如 HDMI2.0/Display Port/USB3.x 則通常采用外部電纜進行長距離信號傳輸，電纜長度一般達 1 米以上。針對這些標準的信號測試方法也產生了很大的變化。以 USB 標準為例，在 USB2.0 時代，定義了 4 個測試點 TP1,TP2,TP3,TP4。其中TP2 和 TP3 分別是 Host 和 Device 的發送端信號測試點：

圖 2 USB2.0 測試點定義圖

發展到今天 USB3.x 時代，USB-IF 只定義了 Near End(TP0)和Far End(TP1)兩個測試點，如下圖示：

圖 3 USB3.x 測試點定義圖

TP0 是信號經過 PHY 物理層芯片后輸出到接口連接器的測試點位置，通常只是作為 Informative 測試點，非必須測試。TP1 則是定義從被測設備接口連接器通過測試夾具和 3 米長的參考電纜后的測試位置，表征的是發送端信號經過長傳輸鏈路后到遠端即接收端的信號，相對于 USB2.0 標準中 Host 發送信號測試主要進行近端眼圖測試明顯要更加科學。TP1 是 USB3.x 標準中定義的 Normative 測試點，相關測試如眼圖和抖動等測試必須進行。在規范定義的早期階段，引入 3 米長的通過測試驗證合格的實物電纜作為 Reference Cable，但是由于不同廠家乃至不同型號電纜間存在的固有差異依然會帶來測試爭議。因此，USB-IF 協會又定義采用 S 參數文件來替代 3 米長的實物電纜模型的方法。事實上 USB-IF 針對 USB3.x 信號傳輸鏈路定義了全面的拓撲模型和各個部件的損耗裕量分配：

圖 4 USB3.x 信號傳輸鏈路裕量分配示意圖

比如對典型的 Std A與Std B 接口連接電纜的 Reference Cable 相關頻域參數如下：

圖 5 USB3.x 鏈接電纜 Reference Cable 頻域參數圖

除了上面介紹的 USB3.x 發送端差分信號設計和測試引入的頻域相關參數要求，在其它標準如 HDMI2.0 和 Display Port1.3 中也采用了與 USB3.x 類似的進行遠端眼圖測試的方法，當然也必然采用 S 參數文件替代 Reference Cable 進行測試。

以上介紹的是消費類電子行業高速串行總線系統引入的越來越多的頻域方面設計和測試的發展趨勢。

那么在今天的高速數據通信系統標準中串行差分信號傳輸鏈路是如何定義的呢？以采用 56G PAM-4 信號傳輸的 400G Ethernet 為例，根據 IEEE P802.3bs?/D2.2 規范，200GAUI-4/400GAUI-8 定義了芯片與芯片間(C2C:Chip to Chip)互連結構如下圖示：

圖 6 200GAUI-4/400GAUI-8 定義了芯片與芯片間(C2C:Chip to Chip)互連結構圖

走線長度在 25cm 左右，其插入損耗(Insertion Loss)要求如下圖示：

圖 7 200GAUI-4/400GAUI-8 定義了芯片與芯片間互連鏈路插損

因此為了確保最終的信號傳輸系統達到或者滿足設計規范要求，各部件的設計裕量也必須在規范定義范圍內。

再來看一個新的問題，假如有 3 塊背板，一塊是插入損耗超標3dB，一塊是回波損耗超標 3dB，還有一塊是串擾超標 3dB，那么哪一個最終會得到整體最佳的信號傳輸質量呢？為了解決這個問題，近幾年 IEEE 在 802.3bj-2014 規范里基于測量得到的 S 參數針對 10GBase-KR 鏈路設計還引入了一個新的名詞和概念COM-Channel Operating Margin，用于表征從發射端、傳輸鏈路和接收端的全部件的品質因素，其根本目標是針對整個傳輸鏈路的性能做歸一化分析。定義如下：

A s 是計算得到的信號幅度，A ni 是噪 聲幅 度。比 如 針對 10GBase-KR 背板鏈路模型，COM 的測量和分析涵蓋了整個系統從 TP0 到 TP5：

圖 8 10GBase-KR 鏈路模型示意圖

經過抽象的典型鏈路模型如下：

圖 9 抽象鏈路模型

上圖中紅色標識的是被侵害鏈路，COM 的計算與分析需要測試或仿真得到被侵害鏈路的 S 參數，其它侵擾源鏈路對被侵害鏈路的 S 參數也需要經過測量或仿真得到。

COM 的計算步驟如下：

– 固有鏈路濾波
– 將濾波后的 S 參數轉換為 SBR
– 確定參考均衡算法設置和可用信號幅度
– 確定組合的 ISI，反射和串擾的鏈路干擾
– 通過將鏈路干擾與其他噪聲源相結合，確定指定 BER 下的峰值噪聲幅度
– 根據可用的信號幅度和峰值噪聲幅度計算 COM

COM 概念由 IEEE 引入，PCI-Sig 組織近年也開始關注這一新的測量方法，未來不排除在 5.0 標準上采用這一鏈路測量方法。

網絡分析儀及頻域測試的基本原理

示波器測試主要是驗證有源信號的本身的性能，眼圖測試、抖動、信號幅度等；而網絡分析儀測試主要是問題定位的，一旦出現協議標準通不過就需要網絡分析儀來定位的。從當前電子產品研發到上市的流程來看，高速數字電路需要在研發階段就要考慮到器件、PCB、線纜的傳輸特性的測試，這樣可以大大加快產品的上市時間，讓你的產品更快的占領市場。

事實上針對信號傳輸鏈路的檢定和分析過往在 5Gbps 以下主要采用時域反射計(TDR)進行阻抗分析，傳統的采樣示波器時域反射計（TDR）進行阻抗測試存在很多弊端，底噪高、測試精度低、靜電敏感，隨著 Keysight 推出網絡分析儀 TDR 測試功能后，已經被多個數字接口標準組織指定為標準測試方法，如 USB2X.0、 HDMI 等。不僅如此，隨著數字信號傳輸的速率越來越高，工作頻率已經達到微波頻段，工作電路已經演變成為分布參數電路。所以，對高速數字電路測試過程所用到的電路、夾具、線纜、轉接頭利用網絡分析儀測試成為必然。

圖 10 電磁信號傳輸模型

在頻域測試經常會碰到 S 參數，S 參數是建立在入射波、反射波關系基礎上的網絡參數，以器件端口的反射信號以及從該端口傳向另一端口的信號來描述電路網絡。比如兩端口器件 S 參數定義：

S11=A/R1：被測件 1 端口的反射參數 S11；

S21=B/R1：被測件 1 端口到 2 端口的傳輸參數 S21；

S22=B/R2：被測件 2 口的反射參數 S22；

S12=A/R2：被測件 2 端口到 1 端口的傳輸參數 S12；

圖 11 網絡分析儀和其原理圖

利用網絡分析儀實現對 S 參數的測試。矢量網絡分析儀的主要由信號源、接收機、信號分離裝置、處理顯示單元四部分組成。如果不進行校準，那么測得的 S 參數不僅是被測件的，還包括測試系統引入的誤差，如測試儀表、線纜、夾具等。幸運的是這些誤差都在固定的、符合一定規律的，所以通過校準即可把除被測件以外的影響因素去掉。傳統的校準方法都是 SOLT 的雙端口同軸校準，隨著器件和硬件，還有 PCB 的發展，大部分測試端口并不是同軸端面，所以對于校準的要求也越來越高。有簡單的端口延伸的方法、有復雜的 TRL 校準，還有去嵌入和高級的 AFR（自動夾具移除）的方法。在后面兩種方法中，校準的關鍵主要集中在高頻夾具本身參數的提取上面。

在高速數字信號傳輸系統中，使用的更多的是差分信號。一對差分線可以看成四端口網絡，單端口 S 參數通過數學變換可以直接等到差分混合 S 參數。這種測試方法叫虛擬差分測試。“虛擬"差分方法是通過數學計算，把測得的多個單端 S 參數轉化為差分 S 參數。其實儀器并沒有用差分信號去激勵被測件，而是把它當成一個單端器件來測量。虛擬差分測試主要在小功率和無源器件測試情況下應用，因為虛擬測試時，由于儀器的 1 端口和 2 端口（單端端口）不能同時輸出激勵信號，因此不能再現被測件在實際工作狀態下的性能。這種沒有使用真實差分信號去激勵被測件的虛擬方法的精度難以保證。所以，精確表征有源器件的非線性特性，需要用到真差分激勵的混合 S 參數測試，即要保證網絡分析儀有兩個源同時激勵。在 Keysight PNA 系列網絡分析系列中，可以選擇真差分雙源激勵。PNA 網絡分析儀除了頻域參數測試以外，通過反傅立葉變換，可以得到在時域下的沖激響應和階躍響應。在沖激模式下，可以得到被測件的反射點、故障距離等，在階躍模式下，可以得到被測件在不同位置下的特征阻抗。通過對傳輸特性的分析還可以測試被測件的眼圖等。

圖 12 S 參數與時域 TDR/TDT 映射

針對物理層的測試，從 Agilent 時代就推出了 PLTS（物理層測試系統）軟件，到目前 PLTS 軟件已經更新了十幾個版本。PLTS 是用于測量和分析物理層器件的信號完整性行業解決方案。向導程序可以幫助用戶輕松地完成校準和測量多端口器件。一旦測量完畢，PLTS 可以通過多樣的顯示、分析、數據重組和轉換工具以及各種導入和導出功能，對數據進行進一步處理。PLTS 2015 能夠與 PNA 和 ENA 網絡分析儀（包括全新的 PXI VNA 體系結構）配合使用。它可以將數據和傳輸線路模型導出到仿真工具，也可從仿真工具導入這些模型。分析功能包括頻域或時域單端和差分圖，以及眼圖和具有抖動注入功能的多通道仿真。

圖 13 PLTS 軟件界面圖

基于 PLTS+ 網絡分析儀的方案，可以很方便的實現信號完整性的測試，包含頻域、時域、單端、差分、眼圖、RLCG 數據導出，同時支持探針臺和多種高級校準功能，直觀、簡單、精確表征高速數字信號通道的完整參數。網絡分析儀不僅可以完成頻域測試，也能完成時域測試，且相對于傳統時域 TDR 設備具有高動態范圍和抗靜電的優點。

網絡分析儀在信號完整性測試和傳輸鏈路測試中的典型應用

傳輸鏈路的 S 參數測試

圖 14 網絡分析儀實際測試連接圖

無論是 USB2.0, 3.0 還是 PAM4 的測試，測試的對象通常是傳輸線纜、PCB 走線、芯片或電路。通常大家用示波器測試時，對應的標準沒有通過，所以要排查從線纜到芯片所有可能問題出現的部位。網絡分析之所以測試精度高，主要源于網絡分析儀的校準功能，通常網絡分析儀的校準是基于同軸器件的校準，如 SMA， N 型、2.4mm、3.5mm。很多數字工程師對這些射頻接頭并不是非常熟悉，真身照片如下：

圖 15 典型射頻接頭

不同的射頻接頭截止工作頻率是不一樣的，SMA 射頻接頭的截止工作頻率到 26GHz，3.5mm 射頻接頭的截止工作頻率可以到 34GHz，2.4mm 射頻接頭的截止工作頻率到 50GHz，而 N 型頭的截止工作頻率只能到 18GHz，性能好的可以到 26GHz。具體關于射頻接頭的技術方檔可參閱《AGILENT PRECISION RF CONNECTOR》

網絡儀測試校準的端面都可以校準到上面所述的同軸射頻微波接頭，然而對于高速數字電路所測試的被測件，通常并不是同軸接口。如果要精確測試的話，校準的端面要設置在 DUT 的被測點和芯片管腳，也就是網絡儀測試連接圖所示的 DUT 測試點，如何在測試結果中去掉儀表、測試線纜、測試夾具的誤差？所用的最多的方法就是 TRL 校準和 AFR 夾具移除。TRL 校準件制作和測試過程請參閱《怎樣設計和驗證 TRL 校準件以及 TRL 校準的具體過程》。（我們今后會發表哈。）

圖 16 TRL 校準與 AFR 校準測試結果對比

TRL 是非同軸測試精度最高的一種測試方法，不過在實際操作中需要工程師自己制作校準件，制作周期長、操作比較繁瑣。2014 年 Keysight 推出了便捷的夾具移除功能 AFR，在一定程度上可以剔除夾具帶來的影響，測試精度非常接近 TRL 的校準結果。在高端網絡分析儀PNA、PNA-X 中有對應的選件 S93007A，同時在 PLTS 測試軟件中也包含此功能，對應選件 N1930B-5*P。下面具體介紹一下 AFR：

AFR 的基本原理

通過測試 2*Thru 的 S 參數，把 S 參數轉換到時域通過矩陣運算再分成兩個等效的 S 參數，采用網絡分析儀的去嵌功能，得到的測試結果即為 DUT 的測試參數。除了采用 2*Thru 的方法提取夾具參數，也可以采用 Open、Short 的方法進行。不過采用 Open、 Short 的方法與 2*Thru 相比，由于高頻時開路電容的效應，在高頻時的測試精度會有所下降。

AFR 的主要功能和特征

a) AFR 支持 2*Thru 和 Open、Short 模式下的夾具移除；
b) AFR 支持非對稱夾具參數和提取和去嵌；
c) AFR 支持 50ohm 和非 50ohm 夾具的去嵌和移除；
d) AFR 支持單端夾具和差分夾具的去嵌和移除；
e) 通過對夾具的測試或 2*Thru 的測試，直接提取夾具參數做去嵌入，測試簡單、測試精度高；

AFR 使用的限制和注意事項

a) 對于單端和差分測試夾具，如果測試兩端不對稱，采用2*Thru 時需要對應兩個不同尺寸的測試校準夾具；
b) Thru 測試校準夾具不能太短，至少 4 倍的階躍上升時間；
c) Thru 測試校準夾具的頻響帶寬要大于 DUT 測試的帶寬
i. Thru 測試校準夾具的回損和插損不能有交點，要保證 5dB隔離。
ii. 盡可能在對夾具參數測試過程中要保證測試系統的阻抗匹配；

COM (Channel Operating Margin)測試

針對多鏈路的背板 COM 測試，需要多端口差分網絡分析儀，假如僅僅考慮主鏈路的插損和回損測試以及兩個相鄰差分鏈路引入的串擾，那么就需要 12 端口以上的網絡分析儀，傳統臺式網絡分析儀顯然在這一挑戰面前力不從心。

為了更好地應對這一挑戰，Keysight 推出了基于 PXI 機箱的模塊化網絡分析儀產品 M937xA 系列，M9375A 支持最高頻率26.5GHz，每個模塊 2 個端口。對應的 M9018B PXIe 機箱有 18 個槽位，除了 M9037A 嵌入式控制器占用兩個槽位外，最多提供16 個槽位也即可以插入 16 個模塊最高可以提供 32 端口測試。

除了硬件設備外，Keysight 還在 PLTS2017 版本里增加了新的功能進行復雜的 COM 參數計算。在 PLTS2017 版軟件定義了一個復雜的 MATLAB 腳本，用戶可以靈活地定義它。再次，PLTS 成功地采用了非常復雜的測試方法，并實現了用戶友好的界面，以簡化信號完整性工程師的測試。

測試步驟如下：

– 使用網絡分析儀測量背板互連

– 將 s12p 或 citi 格式的數據文件導入 PLTS

– 運行 PLTS 里的 COM 腳本文件

– 根據需要修改 COM 數據表

– 分析得到結果

– 優化物理層設計以改進 COM 數值

最終得到的結果如下圖示：

圖 19 COM 測試結果圖

總結

以上介紹了在今天的高速數字傳輸鏈路設計和測試的一些原理，工具及典型應用。今天時域與頻域的界限越來越模糊，聯系和融合日益緊密，對數字開發和設計及測試工程師的挑戰也日益嚴峻。

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網絡分析儀 | Keysight

N1930B 物理層測試系統（PLTS）2020 版軟件?www.keysight.com網絡分析儀 | Keysight?www.keysight.com

總結

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