優異信號完整性的仿真和測量解決方案

數據中心利用發射系統和接收系統之間的通道，可以準確有效地傳遞有價值的信息。如果通道性能不佳，就可能會導致信號完整性問題，并且影響所傳數據的正確解讀。因此，在開發通道設備和互連產品時，確保高度的信號完整性非常關鍵。測試、識別和解決導致設備信號完整性問題的根源，就成了工程師面臨的巨大挑戰。本文介紹了一些仿真和測量建議，旨在幫助您設計出具有優異信號完整性的設備。

中央處理器（CPU）可將信息發送到發光二極管顯示器，它是一個典型的數字通信通道示例。該通道 — CPU 與顯示器之間的所有介質 — 包括互連設備，例如顯卡、線纜和板載視頻處理器。每臺設備以及它們在通道中的連接都會干擾 CPU 的數據傳輸。

信號完整性問題可能包括串擾、時延、振鈴和電磁干擾。盡早解決信號完整性問題，可以讓工程師開發出可靠性更高的高性能的產品，也有助于降低成本。

通道仿真

工程師通常會用電子設計自動化軟件來創建電路仿真。設計自動化軟件則是采用逐位和統計仿真技術，用以提供快速而準確的通道仿真。算法建模接口是設計軟件所使用的一種標準，它可以輕松仿真從發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、時域反射測量之類的信號分析工具。在仿真從發射機到接收機的數據傳輸時，示波器上顯示的眼圖可以作為分析參數，幫助評估通道性能。

眼圖的寬度和高度是信號失真的關鍵指標。寬大的眼圖意味著數據傳輸良好。閉合的眼圖表示信號完整性大幅降低。如果發射機處的眼圖是開眼，接收機處是閉眼，下一步就需要確定通道中的哪些設備或互連導致了信號衰減。工程師可以直接查看發射機輸出端的眼圖，通過每個互連追溯到接收機，從中確定導致信號衰減的組件。

圖 1：閉合的眼圖和正常的眼圖的示例

確定信號衰減的根本原因

描述給定設備的頻率特性時，工程師可以使用 S 參數作為標準。互連的 S 參數（無論是在時域還是在頻域中進行測量）代表了互連的特征模型。該參數涵蓋了信號從進入一個端口到離開另一個端口時的所有特性信息。

為了確定信號衰減的根本原因，重要的是先要確定您對 S 參數的期望值。將期望值與測量值進行比較，有助于識別導致信號完整性衰減的通道區域。

接下來，您需要更深入地研究被測設備和設備之間的連接，以便確定根本原因。對于差分通道，可以使用混合模式 S 參數進行分析。最常見的 S 參數是與電磁干擾有關的差分回波損耗（SDD11）、差分插入損耗（SDD21）和差分至共模轉換（SCD21）。

在分析傳輸質量時，還需要重點考慮反射因素。每當出現瞬時阻抗變化時，信號就會被反射。反射會使返回的原始信號出現延遲（如下圖 2 所示），并與原始信號結合而產生干擾。

圖 2：反射對信號質量的影響

探索和設計信號完整性解決方案

初步找到信號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，要執行去除設計缺陷后的仿真測試，以驗證您確實找到了信號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域作為解決方案，不如試著在接收機上添加均衡，例如添加決策反饋均衡

（DFE）、頻域中的連續時間線性均衡或時域中的發射機前饋均衡。同樣，您也可以通過仿真來添加均衡，通過在示波器上實時觀察眼圖的變化，即可測試該均衡是否已經解決了信號完整性衰減的問題。

如圖 3 所示，另一個測試選項就是將眼圖模板應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

信號完整性分析

當產品設計從仿真階段進展到硬件環節時，您需要使用矢量網絡分析儀（VNA）來測試高速數字互連。首先，您需要對通道、物理層設備、連接器、電纜、背板或印刷電路板的預期測量結果有所了解。在獲得實際測量結果之后，再將實際結果與這個預期結果進行比較。我們的目標是，通過軟件和硬件來建立可靠的信號完整性工作流程。硬件測量步驟包括儀器測量設置，獲取通道數據，以及分析通道性能。

對于矢量網絡分析儀（VNA）?等高動態范圍的儀器，您需要全面了解誤差校正，才能確保最準確的 S 參數測量。誤差校正包括校準（測量前誤差校正）和去嵌入（測量后誤差校正）。通過調整校準和去嵌入的參考點檢查通道中除了 DUT 之外的所有節點項目。以下內容介紹了校準和去嵌入誤差校正之間的差異以及二者的使用方法。

信號校準

默認情況下，當?矢量網絡分析儀（VNA）?開啟時，其參考平面位于前面板。將電纜連接到被測設備時，校準參考必須使用短路-開路-負載-直通法（SOLT）、直通反射線或直通反射匹配參考結構。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，校準參考面包括電纜，而去嵌入參考面包括夾具。將校準誤差校正和去嵌入相結合時，必須包括通道中與 DUT 的所有互連。連接 DUT 后，您就可以進行測量，并執行測量后（去嵌入）誤差校正。