高速背板互连规划应战
现在的电信体系、数据通信体系、杂乱计算机体系等都依赖于高速串行数据传输，而前沿数字规划师们往往将体系能够抵达的功用极限施压于铜材。跟着超越1Gbps的串行链路的增多，信号完好性问题开端露出出来，针对这类高速通道的物理层进行信号完好性优化，会收到惊人的效果。假如选用适宜的规划东西和规划办法，咱们就能清楚地了解信号传输的基本原理。为了打破兆兆位的边界，网络交换机和路由器中选用了一种先进的背板技能。这一成果部分得益于物理层元件中杂乱的规划技能。规划进程的大部分时刻都用在建模、仿真和丈量验证上，运用既具有时域剖析才干也具有频域剖析才干的规划东西，咱们能够将反射、串扰、阻抗失配和损耗这些杂乱的现象均直观地显现出来。
现在，业界现已开发一个10Gbps以太网的背板标准，作为802.3ap标准的一部分。其意图是运用一般的铜背板，不依托光介质，在线路卡间传送10Gbps的以太网信号。为了抵达高速数据传输意图，新的10Gbps串行信令计划的开发有了令人激动的开展，但终究的串行数据传输率上限很有或许遭到物理层背板的信号完好性问题的约束。要想在整个背板上的芯片到芯片通道上悉数完结一个阻抗受控的环境，需求规划人员十分小心翼翼，在这样的通道中，背板衔接器则起着十分重要的效果。
图1是典型的高速背板互连体系，一个单板上的芯片驱动串行信号经过单板，衔接器，背板，衔接器和另一个单板，抵达接纳端芯片。这个高速信号途径是典型的背板互连体系，现在业界一般的速率抵达6.25Gbps，采样10Gbps以太网的背板速度高达10.3125Gbps，仿真，规划和验证都是十分杂乱。
图1 典型的高速背板互连体系
高速背板互连测验概述
数字通信体系在较低的信号速率时，这些互连的电长度很短，驱动器和接纳机一般是导致信号完好性问题的最首要要素。但跟着时钟速率、总线速率及链路速率打破每秒千兆大关，物理层特性测验正变得日益要害。时域剖析一般用来描绘这些物理层结构的特征，但一般状况下，规划人员在测验时往往只考虑器材作业在其被希望的作业形式上时的状况。为了取得一个完好的时域信息，必需求测验反射和传输（TDR和TDT）中的阶跃和脉冲相应。为了全面描绘物理层结构的特征，还有必要进行频域剖析。S参数模型说明晰这些数字电路结构所展现出来的模仿特色包含：不接连点反射、频率相关损耗、串扰和EMI等功用。为使设备功用契合标准，眼图添加了重要的统计剖析功用。为运用全面特性检定技能改进仿真才干，能够选用依据测验成果的S参数或RLCG模型提取技能。
跟着在多种作业形式下进行数字和模仿归纳剖析（时域和频域）变得越来越重要，要完结这些测验功用，一般需求运用多种测验外表，一起操作多种外表正变得越来越困难。物理层测验体系PLTS是为了处理这种困难而规划的。它运用已获专利的改换算法，主动地在频域和时域里表明在所有或许的作业形式（单端、差分、共模和形式转化）下所得到的前向和后向、传输和反射的测验数据。强壮的虚拟码型发生器功用能够把用户界说的二进制序列应用到被测的数据上，构成仿真的眼图，也可进行模板测验。一起，能够提取高精度的RLCG模型，用来前进建模的仿真的精度。
为了表征高速背板的实践信号传输功用，还需求进行背板的有源测验和剖析。测验时在背板的输入端加载串行数据（别离加载抱负的，带颤动的，带预加剧的，能够调理信号速率），在背板的输出端用示波器测验串行数据经过背板传输后的成果，然后能够剖分出背板对信号的影响，也能够测验出被测背板最高能够传输多高信号速率的串行数据。当进行背板的有源测验时，需求一台能够发生不同速率串行数据的码型发生器或误码仪，除了速率可调外，要能够发生小颤动、快上升时刻的抱负码型，要能够发生带各种颤动成分的颤动码型，要能够发生带预加剧的预加剧码型等。
高速背板无源测验和剖析：时域剖析和频域剖析
高速背板无源测验和剖析的衔接图示如图2所示。关于3.125Gbps以上的高速背板测验，主张运用矢量网络剖析仪VNA替代时域反射计TDR。矢量网络剖析仪具有更高的测验精度（VNA动态规模可达：80dB以上，而TDR一般只要：40dB），更快的测验速度（校准速度：VNA支撑电子校准件，校准速度快，精度高，TDR不能支撑电子校准件，校准速度十分慢；测验速度：VNA一次丈量即可，不用做均匀，TDR需求屡次丈量做均匀以改进低噪声）。VNA测验后需求转化成时域参数（TDR参数），TDR丈量后需求转化成频域参数（S参数），以从多个视点丈量高速背板。
图2 高速背板无源测验衔接图示
仪器丈量得到单端S参数之后，还需求将他们转化为平衡的S参数，才干表现差分设备的功用。当被测设备具有线性无源的结构时，这种特别条件就使得从单端S参数到平衡S参数的数学转化成为或许。PCB迹线、背板、电缆、衔接器、IC封装和其他的互连结构都归于线性无源结构。依据线性叠加理论，将图3左面矩阵中所有的单端S参数处理并映射到右边矩阵中的差分S参数，然后依据这些差分S参数就能深化研究差分设备的功用，包含设备对EMI的易理性和EMI辐射巨细。
在调查设备功用时，差分损耗SDD21一般更为直观。SDD21是差分信号经过设备时的频率呼应。当频率较低时，微孔和标准通孔的功用附近。但当频率较高时，微孔结构对信号的衰减显着小于标准通孔。这就意味着微孔的通道结构使得高频信号经过期不会被严峻衰减，其成果必定导致眼图张得更开。而标准通孔在高频时，其衰减要大于微孔。
第二组曲线或许直观性稍差，但它对咱们的剖析相同重要。差分反射损耗（SDD11）所描绘的是每个结构中在不同频率下发生的反射的巨细。相同，两种通孔结构的低频呼应十分相似。但在12GHz 到 20 GHz的频率上，标准通孔的反射要高于微孔。反射是由于对阻抗环境的操控欠安构成的，反射零点之间的间隔与结构中谐振腔之间的间隔有关。在标准通孔中，反射零点之间的间隔与通孔根的长度有关。
图3 高速背板互连的频域参数（S参数）和时域参数（TDR参数）表征
物理层测验体系
高速背板互连的时域和频域归纳剖析变得越来越重要，假如单一测验处理计划能够全面描绘差分高速数字互连的特性，那么就能够更好的满意实践运用的需求。物理层测验体系PLTS便是为这一意图而规划的。PLTS软件能够引导运用者完结硬件的设置和校准，操控数据收集，运用已获专利的改换算法主动地在频域和时域表明在所有或许的互连作业形式（单端、差分、共模和形式转化）下所得到的前向和后向、传输和反射的测验数据。PLTS软件强壮的虚拟码型发生器功用能够把用户界说的二进制序列应用到被测的数据上，构成模仿的眼图，直观评价互连的好坏。PLTS软件还能够提取高精度的RLCG模型，用来前进建模和体系仿真的精度。
PLTS能够依据TDR或VNA硬件渠道，首要不同之处是功用，依据VNA供给更高的带宽挑选、更高的起伏和相位精度和安稳度、更高动态规模（信噪比）和先进的校准（纠错）技能。假如在测验时十分重视测验成果的精度和可重复性，需求挑选VNA。
时域剖析：运用者一般从混合形式时域开端运用PLTS。开端时，PLTS将显现16种参数的小图，表明四种互连作业形式：差分、共模及两种形式转化类型（共模鼓励下的差分呼应，差分鼓励下的共模呼应）。在任何小图上双击鼠标，将把挑选的参数扩大到全屏，以进行进一步剖析。
频域剖析：运用者能够点击选项开端混合形式频域剖析，相同呈现16种参数的小图，相同表明四种互连作业形式下的参数，仅仅是频域参数，双击扩展到全屏能够进一步剖析。
眼图仿真：经过运用内置数字码型发生器功用，运用者能够界说虚拟码型（最宽：232-1位）。然后，PLTS把所挑选的码型和被测器材的脉冲呼应卷积构成准确的依据测验成果的仿真眼图。这消除了对硬件脉冲/码型发生器的需求，灵活性强，能够进行许多的“假如发生了……，或许会发生怎样的成果”的剖析。在发生眼图后，能够运用信号光标指示功用，进行典型的丈量，如颤动，眼图翻开、上升时刻和下降时刻等。
RLCG模型提取：RLCG（电阻、电感、%&&&&&%和电导）模型描绘了无源传输线的等效电路模型。从互连丈量的S参数中，PLTS技能R、L、C、G，复数传播常数及复数特性阻抗，这供给了高度准确、依据测验成果的耦合传输线模型，能够导出导建模和仿真软件中，如ADS、HSP%&&&&&%E等。
图4 物理层测验体系PLTS从时域、频域、眼图和建模视点进行互连的高档测验和剖析
高速背板有源测验剖析：眼图、颤动、码间搅扰和均衡
无源测验剖析重视表征高速背板互连体系的电气功用，是功用参数，可是关于这样的功用参数究竟能够传输多高速率的信号，或规划的高速背板能否满意方针信号传输的要求，仍是无法直观的测验出来，所以还需求进行有源测验。图5是高速背板有源测验的衔接图示。运用一台能够添加各种颤动（RJ、DJ、ISI、PJ等）和预加剧的码型发生器发生需求的串行信号去鼓励背板，信号经过背板后用示波器进行波形捕获、丈量和剖析。其间，需求进行均衡剖析，由于6.26Gbps～10Gbps的高速信号经过背板后，眼图一般不能翻开，需求运用示波器的均衡软件，模仿接纳芯片内的均衡器，以翻开眼图，然后测验眼图参数。
图5 高速背板有源测验衔接图示
颤动是高速信号功用的要害参数，不管用探头做在线测验，或鼓励呼应测验，都需求重视颤动的参数，关于高速背板特别需求重视码间搅扰ISI颤动成分。
一般这样界说颤动：“信号的某特定时刻相关于其抱负时刻方位上的短期违背为颤动”（参阅：Bell Communications Research,Inc（Bellcore），“Synchrous Optical Network（SONET） Transport Systems：CommonGeneric Criteria，TR-253-CORE”，Issue 2，RevNo.1，December 1997），如图6所示。其间快过10HZ的违背界说为颤动（Jitter），漫过10Hz的违背界说为漂移（Wander）。
跟着信号速率的不断前进和对精度的越来越高要求，需求进行颤动成分的别离以更深化表征颤动特征和查找问题本源。一般按图6进行颤动成分的别离。
图6. 颤动成分别离图
各个英文的中文翻译是，TotalJitter（TJ）：整体颤动；Random Jitter（RJ）：随机颤动；Deterministic Jitter（DJ）：确定性颤动；Data Dependent Jitter（DDJ）：数据相关颤动；Periodic Jitter（PJ）：周期性颤动；Inter-symbol Interference（ISI）：码间搅扰；Duty Cycle Distortion（DCD）：占空比失真；SubRateJitter（SRJ）：子速率颤动。
经过颤动的别离，一方面能够协助咱们判别被测件DUT是否满意规划或标准要求，另一方面能够协助咱们寻觅问题本源，这便是颤动的溯源剖析办法。图7是颤动成因联系图。
图7 颤动成因联系图
关于高速背板互连，首要需求重视：码间搅扰ISI。与数据流中的位序列相关的任何颤动都称为数据相关颤动DDJ，其间的首要组成成分是ISI。ISI一般是由衔接器、电缆、PCB传输线、背板等的缺乏的频响（阻抗不接连和损耗的归纳成果）引起的。缺乏带宽对数据序列激烈地履行低通滤波，由于滤波，波形没抵达彻底的高状况或低状况，除非有同极性的多个位接连呈现（注：轮番的 1、0、1、0、1、0 归于高频，由于每单位区间内，信号都发生电压跳转。接连的1或0，由于信号电压一向坚持固定，所以归于低频）。图8所示的不同码型经过低带宽的传输体系后，添加了码间搅扰ISI颤动成分。
图8 低带宽的互连（如高速背板）发生码间搅扰ISI
由于6.25Gbps到10Gbps的信号经过背板传输后，眼图处于关闭状况，需求运用均衡软件仿真芯片均衡特征以翻开眼图再进行参数丈量和剖析。现在的采样示波器和实时示波器都支撑均衡功用，一般支撑判定反应均衡DFE和线性前向均衡LFE。能够在软件里挑选抽头的数量，能够输入抽头的数值，亦能够主动取得抽头的数值（相当于自适应性均衡），如图9所示。均衡后能够便利丈量眼图，颤动等参数。
图9 均衡器改进信号质量（右图蓝色部分为均衡前，赤色眼图为均衡后）
总结
信号完好性规划测验技能的前进为规划数据率高达10Gbps的高速背板发明了许多时机，但要想完结这一方针，规划人员有必要对差分传输线效应和物理结构对信号完好性的影响有必定了解。有多种PCB结构都能协助前进数据流量，条件是在高速串行链路内正确地完结他们。今日的高速数字规划工程师有必要着眼于未来，选用先进的仿真、规划、测验和剖析东西，才干持续坚持电信体系、数据通信体系和杂乱计算机体系的快速开展脚步。关于这种高速背板互连的测验，需求从时域、频域视点进行无源丈量，也要从眼图、颤动、均衡视点进行有源丈量，整体上是比较杂乱的。
