10G-32G数字体系信号完整性丈量技能白皮书

前语
云核算等高速数字体系是后IT年代推进力气之一。
云核算和其他高速数字体系对数据带宽要求十分巨大，使得整个体系的单根信号速率打破10Gbps，20Gbps乃至到达28Gbps的超高数量级。逾越10GHz的数字体系，对各种电路和信号的要求到达了反常严苛的境地，电路和信号的丈量成为必不可少的研制环节。表1-1列出了要害的丈量内容和需求运用的相应的测验仪器。

表/图1. 10-20GHz以上数字体系要害测验内容和相应的测验仪器

下面按测验内容打开介绍详细测验要求，丈量办法，以及专业仪器的中心目标或原理，以供产品司理，技能专家，或工程师参阅。

10GHz以上高速背板丈量
关于用于云核算的电信设备，数据通信设备，服务器矩阵等，高速背板是要害的互连部件。高速背板里边需求走几十对到几千对高速差分线，现在典型的信号速率是6.25Gbps，10.3125Gbps，跟着云核算对数据带宽的要求，需求信号速率打破20Gbps，乃至到达28Gbps。高速背板规划成为云核算设备开发的要点和难点之一。图2是一个典型的高速背板样品，两头简略单板是用于高速背板功用测验的测验夹具。测验夹具与背板触摸部分是高速衔接器，经过特制的SMA/3.5mm/2.4mm等同轴衔接器与仪器外表衔接。

图2. 典型的高速背板样品

衡量高速背板的首要功用参数如下表/图3所示。

表/图3. 高速背板典型功用参数

丈量3.125Gbps以上的高速背板，首要经过高功用矢量网络剖析仪来完结。N52XX是典型的高功用网络剖析仪，表/图4罗列了N5245A网络剖析仪的功用参数。

表/图4. N5245A网络剖析仪典型功用参数

关于高速背板测验来说，最难最杂乱的是校准。可是，有必要经过校准把测验电缆，测验夹具等的差错去掉，才干真实得出高速背板的功用参数，才干确认高速背板是否满意标准或规划要求，才干把测验得到的S参数作为模型以供仿真软件运用。为此，合作网络剖析仪硬件运用的物理层测验体系PLTS软件，协助咱们处理了这个题。
PLTS软件不只仅从时域，频域等多角度测验高速背板的功用参数，还能够树立主动测验流程，快速验证测验成果是否满意标准或规划要求，一同生成测验报告。
除此外，PLTS还支撑各种校准技能，以进行精确和快速的校准，这是PLTS软件的要害价值之一。这些校准技能如图5所示。最简略的校准技能是端口延伸（Port Extension）和时域门（Time Domain Gating)，次之是归一化（Normalization）和参阅面校准（Reference Plane Calibration），可是这些校准技能不合适测验高速背板。由于高速背板对错同轴的环境，合适的校准办法首要有三种：TRL，去嵌入，AFR（主动夹具移除）。选用去嵌入的办法需求供应夹具的S参数文件，这些S参数文件可经过仿真或测验取得，可是测验不容易处理，需求探针台，价值太昂扬，所以一般经过仿真的办法提取测验夹具的S参数共去嵌入运用，这样做难以确保精度。
所以最常用的校准办法仍是TRL和AFR。

图5. PLTS软件支撑的校准技能

选用TRL校准技能的难点是规划校准件。为此，PLTS软件能够供应了TRL校准件规划攻略。这个规划攻略供应一步步详细的指引，协助用户详细规划TRL校准夹具，并且当用户的TRL校准夹具制作后，验证制作的夹具是否满意要求。
TRL校准件选用的是松耦合的差分传输线，假如考虑紧耦合，需求移除测验夹具的两根差分线内的串扰，在曾经是一件十分困难的作业。PLTS软件中的差分串扰校准攻略能协助用户一步步移除两根线间耦合所导致的丈量差错。
PLTS软件最大的校准技能打破是立异了一种主动夹具移除AFR校准办法，不只仅校准件规划简略，校准处理便利，并且校准精度十分高。只要把两个夹具对接一下，即可把夹具的影响去除。假如两头的测验夹具对称，对接校准件规划比较简略，只要把两根线衔接一同即可；假如两头的测验夹具不对称，需求在对接校准件上规划两对差分走线，每对是每个测验夹具差分走线长度的两倍即可。

图6. 主动夹具移除AFR校准的操作界面

供电网络PDN丈量
关于云核算或其他高速数字电路和体系，信号完好性仿真、规划和测验是要害点之一；电源完好性仿真、规划和测验是另一个要害点，并且比较信号完好性来说，更杂乱，难度更大。快速而精确的仿真电源完好性至今依然是一个待打破的课题。
电源完好性剖析目标首要是供电网络PDN（Power Distribution Network）。以笔记本电脑为例，AC到DC电源适配器供应核算机主板的是一个约16V的直流电源，主板上的电源分配网络要把这个16V直流电源变成各种电压的直流电源（如：+-5V, +1.5V, +1.8V,+1.2V等等），给CPU供电，给各个芯片供电。CPU和IC用电量很大，并且是动态耗电的，瞬时电流或许很大，也或许很小，可是电压有必要平稳（即纹波和噪声有必要较小），以坚持CPU和IC的正常作业。这都对PDN提出了严苛的要求。
要衡量PDN功用，只用示波器测验CPU和%&&&&&%管脚的电源纹波和噪声是不行的，并且呈现问题后也没有办法定位问题。要精确衡量PDN的功用，需求测验PDN的输出阻抗（随频率改变的阻抗）和PDN的传输阻抗（也是随频率改变的阻抗），就像表征一个单端口网络或双端口网络相同去表征PDN。这也要用到网络剖析仪东西。
用网络剖析仪去测验PDN，有两大应战：
1. PDN的输出阻抗和传输阻抗是豪欧级的，想精确测验，是一件比较困难的作业。
2. PDN作业时是带直流电压的，即带偏置的，需求网络剖析仪有偏置丈量的功用。
用网络剖析仪测验毫欧级的输出阻抗，不能简略的用一端口测验办法，由于阻抗太小，反射太大。这时比较好的办法是用双端口测验办法，如图7所示，测验时用S21替代S11。

图7. 用双端口办法测验PDN输出阻抗

假定探测验电缆电感约为0，Z(DUT)远小于Zo（VNA端口阻抗），PDN输出阻抗的核算公式如下：
Z(DUT)=Z11=S21*25(ohm)

用网络剖析仪测验毫欧级的输出阻抗，也是用双端口测验办法，如图8所示。

图8. 用双端口办法测验PDN的传输阻抗
假定探测验电缆电感约为0，Z11，Z21，Z22远小于Zo，PDN传输阻抗的核算公式如下：
Z21=Z12=S21*25(ohm)

针对这种的特别丈量要求，安捷伦的矢量网络剖析仪E5061B推出了一个特别的选件3L5协助测验PDN。 E5061B-3L5 能够在从5 Hz 至 3 GHz 的率规模内供应常用的网络丈量和剖析功用，功用全面的低频网络丈量才能 (包含内置的 1 MΩ 输入) 都被完美地集成到这个高功用的射频网络剖析仪之中。
E5061B-3L5的增益相位测验端口能够在从 5 Hz 到 30 MHz 的低频丈量规模内直接把测验信号接入丈量接纳机。内置的 1 MΩ输入使工程师能够运用丈量探头轻松地对所测电路内的放大器和直流 – 直流转换器的操控环路的参数进行丈量。接纳机端口能够精确地丈量放大器的 CMRR/PSRR 和 PDN 毫欧量级的输出阻抗，并且消除了丈量中接地环路引进的丈量差错。
E5061B-3L5的内置的直流偏置源能够从外表内部把最高可达 ±40 Vdc 的直流偏置电压叠加到从端口 1 或 LF OUT端口上输出的沟通信号上。此外，假如在外表的 S 参数测验端口上对被测器材进行丈量时，它还能够从 LF OUT端口输出直流电压。

10GHz以上SerDes信号质量丈量
SerDes是10GHz以上数字体系中的要害器材，一般被集成在FPGA或其他芯片内部。它的输出信号的信号质量联系到信号传输的间隔，互连体系牢靠性等多个方面。虽然现在芯片内部集成了内部误码仪iBERT等眼图扫描东西，SerDes的信号质量丈量依然是必测项目。表/图9列出了SerDes信号质量测验内容和典型要求。

表/图9. SerDes 典型信号质量参数要求

颤动界说为信号的某特守时刻相关于其抱负时刻方位上的短期违背。高速SerDes的信号质量参数对颤动要求十分高，不只仅要重视全体颤动，还需求重视颤动成分。颤动成分联系图示如图10所示。

图10. 颤动成分联系图

随机颤动RJ是不能猜测的守时噪声，由于它没有能够辨认的形式。典型的随机噪声实例是在无线电接纳机调谐到没有活动的载频时听到的声响。虽然在理论上随机进程具有恣意概率散布，但咱们假定随机颤动呈现高斯散布，以树立颤动模型。这种假定的原因之一是，在许多电路中，随机噪声的首要来历是热噪声(也称为 Johnson 噪声或散粒噪声)，而热噪声呈现高斯散布。另一个比较根底的原因是，依据中心极限定理，不论各个噪声源选用什么散布，许多不相关的噪声源的组成效应该挨近高斯散布。高斯散布也称为正态散布，但它的一个最重要的特征是：对高斯变量，它能够到达的峰值是无穷大，所以用RMS值表征随机颤动。
确认颤动DJ是能够重复的、能够猜测的守时颤动。正因如此，这个颤动的峰到峰值具有上下限，在数量相对较少的调查根底上，一般能够以高置信度调查或猜测其鸿沟。DDJ和PJ依据颤动特征和底子成因进一步细分了这类颤动。影响确认性颤动的要害因素是互连通道的损耗，损耗发生码间搅扰颤动ISI。关于损耗能够用预加剧和均衡的办法处理。
全体颤动TJ是随机颤动RJ和确认性颤动DJ的卷积联系。关于高速SerDes和高速数字体系，颤动都是榜首重要参数，有时眼图不满意要求，体系依然正常，可是颤动不满意要求，一般都会出问题。
数字信号的眼图包含丰厚的信息，表现数字信号的全体特征，能够很好的评价数字信号的全体质量。关于高速SerDes信号，时钟是内嵌的，这时分需求仪器从串行信号中康复时钟，以康复的时钟为基准来构成眼图，如图11所示。现代的宽带示波器一般供应多种时钟康复办法供挑选，测验高速SerDes信号最常用的是Golden PLL办法，要依据详细标准的CDR呼应曲线挑选一级或二级锁相环，细心设置时钟康复参数。

图11. 高速SerDes信号眼图的构成
高速SerDes信号由发射端经过传输介质或通道（如：背板、电缆、电路板）向接纳端发送。当信号速率添加时，信号所经过的通道或传输介质发生衰减，使信号在接纳端呈现失真，然后导致眼图部分或彻底闭合，使接纳端无法正确提取或康复时钟/数据。为了使眼图从头打开，有必要正确提取或康复时钟和数据，均衡技能便是为处理这一问题而存在的。
在图12中能够看到，一个打开、明晰的眼图由发射端动身，经过通道进行传送时，通道带来的随机噪声、串扰和符码间搅扰（ISI）使信号发生失真，导致眼图闭合。随后，运用均衡技能校对补偿ISI带来的差错，使眼图得以部分打开。

图12. 高速串行信号传输中的均衡

关于20GHz以上的高速SerDes信号质量丈量，有必要运用均衡技能，一般选用CTLE均衡，在均衡之后再进行眼图和波形参数的丈量。90000Q和86100D宽带示波器内置多种均衡算法，可依据需求设置均衡参数或主动设置均衡参数，满意各种信号的丈量要求。
90000Q和86100D示波器是测验高速SerDes信号质量的东西，它们的功用目标罗列如表/图13所示。

表/图13. 90000Q和86100D典型功用目标

工业标准总线标准一致性丈量
云核算设备运用了各种工业标准总线，对这些工业标准总线进行标准一致性丈量是确保体系作业安稳和牢靠的要害点之一。表/图14分类罗列了几类工业标准总线，及其标准要求的测验参数。

表/图14. 各类工业标准总线及其标准要求的测验参数

测验这些工业标准总线，完好和牢靠的测验计划是十分重要的。完好的测验计划不只仅确保测验精确度，还能够很多节约测验时刻，进步作业效率。
工业标准总线完好的测验计划一般包含几个部分：测验夹具，探头和附件，主动测验软件，测验仪器。主动测验软件能够操控多种仪器，主动测验标准要求的参数，主动判别成果PASS仍是FAIL，主动生成测验报告。图15是10Gbase-T测验的比如。
10Gbase-T的输出下跌/守时颤动/时钟频率要求用实时示波器测验；线性度/功率谱密度PSD/功率电平要求用频谱剖析仪测验；回波损耗要求用网络剖析仪测验。没有主动测验软件，测验是反常困难和耗时的作业。

图15. 10Gbase-T主动化测验体系

3mv(PP)电源纹波丈量
10Gbps及以上的SerDes要求给其供电的PDN的电源纹波低于3mv(PP)，这个要求十分高。测验电源纹波的仪器是示波器，可是要测验出3mv(PP)的电源纹波，有必要用低噪声，高精度的示波器。
90000A示波器现已在多个用户处做过测验而被证明是满意要求的示波器，市场上同类产品却不能满意要求，原因有二点：其一，90000A共同的封闭式模仿前端规划确保低噪声和高测验一致性；其二，90000A支撑满意要求的带通滤波才能。
纹波要求的测验带宽是10KHz到20MHz，90000A内置低通和高通滤波器，组合发生带通滤波器，满意测验要求。
90000A示波器的模仿前端规划颇具特征，如图16所示。这个模仿前端是一个多模芯片，电子衰减器，放大器，触发器被裸封到法拉第屏蔽箱箱体里，与外界阻隔，确保了低噪声和高牢靠。

图16. 90000A示波器的模仿前端多模芯片规划

50fs时钟颤动丈量
逾越10Gbps的SerDes对参阅时钟的要求反常严苛，要求参阅时钟的颤动低于100fs，乃至到达50fs的数量级。传统运用示波器的测验办法现已不能满意要求，由于示波器本身的颤动丈量本底现已逾越100fs数量级。所以丈量低于100fs颤动需求选用更高精度的仪器，信号源剖析仪或相噪剖析仪是一个十分好的挑选。
E5052B信号源剖析仪是丈量晶振、PLL、时钟电路、相位噪声的常用仪器，内部选用共同的规划办法使得丈量精度到达50fs数量级，原理框图如图17所示。信号源剖析仪选用相参接纳机的办法下降仪器的本底噪声。信号进入仪器内部，分为两路，每路先用超低相噪本振进行混频，然后经过低通滤波器和放大器后用高精度ADC进行数据收集，收集后由FPGA进行FFT和相关运算处理，以去除仪器混频器/放大器/ADC等所带来的噪声。由于噪声是随机散布的，而信号是固定的，所以相关运算处理能够去除噪声，并且相关运算次数越多，测验精度越高，不过测验速度也会相应的变慢。

图17. 信号源剖析E5052B原理框图

E5052B信号源剖析仪特别规划了一个软件E5001A SSA-J，专门应对高精度时钟颤动丈量的要求，协助运用者快速丈量和剖析颤动，而不需求自己动手把相噪曲线转换成时域颤动数值。

功率谱/功率电平/串扰等丈量
关于象10Gbase-T这样的高速接口总线，功率谱/功率电平测验是十分重要的测验项目，而由于示波器本身接纳灵敏度和动态规模的约束，有必要用更高精度的仪器来进行这些频域参数的丈量。别的，对一些串扰和辐射的丈量和定位也需求高接纳灵敏度和大动态规模的仪器。所以频谱剖析仪在高速数字范畴的运用变得越来越广泛，以PXA N9030A为例，表/图18列出了要害目标。从这些目标能够看出，比示波器高出几个数量级，可满意越来越多的高速数字体系，特别是20GHz以上数字体系的丈量需求。

表/图18.PXA频谱剖析仪要害目标和标准值

总结
规划一个高功用和高牢靠的云核算设备是十分杂乱的一件研制作业，特别是现在要求信号速率逾越20GHz的时分。电子丈量的重要性逾越了从前电子体系，由于每个丈量参数的要求都到达了反常严苛的程度。为此，咱们需求运用各种专业的电子丈量仪器来进行细心丈量和剖析，而不能象从前相同，仅仅用一台示波器完结简直一切的作业。
于此，多种仪器派上了用场，高功用宽带示波器，高频矢量网络剖析仪，低频网络阻抗剖析仪，信号源相噪剖析仪，高功用频谱剖析仪等射频微波范畴的仪器能够发挥功用优势，用于数字范畴丈量。对研制工程师的要求也逐步进步，不只仅要把握时域丈量技能和示波器运用，还需求把握频域丈量技能和射频微波仪器的运用。