中心議題：
- 信號(hào)完整性的測(cè)試手段
- 信號(hào)完整性仿真
- 信號(hào)完整性測(cè)試應(yīng)用實(shí)例
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信號(hào)完整性設(shè)計(jì)在產(chǎn)品開發(fā)中越來越受到重視，而信號(hào)完整性的測(cè)試手段種類繁多，有頻域，也有時(shí)域的，還有一些綜合性的手段，比如誤碼測(cè)試。這些手段并非任何情況下都適合使用，都存在這樣那樣的局限性，合適選用，可以做到事半功倍，避免走彎路。本文對(duì)各種測(cè)試手段進(jìn)行介紹，并結(jié)合實(shí)際硬件開發(fā)活動(dòng)說明如何選用，最后給出了一個(gè)測(cè)試實(shí)例。
信號(hào)完整性的測(cè)試手段很多，涉及的儀器也很多，因此熟悉各種測(cè)試手段的特點(diǎn)，以及根據(jù)測(cè)試對(duì)象的特性和要求，選用適當(dāng)?shù)臏y(cè)試手段，對(duì)于選擇方案、驗(yàn)證效果、解決問題等硬件開發(fā)活動(dòng)，都能夠大大提高效率，起到事半功倍的作用。
信號(hào)完整性的測(cè)試手段
信號(hào)完整性的測(cè)試手段主要可以分為三大類，如表1所示。表中列出了大部分信號(hào)完整性測(cè)試手段，這些手段既有優(yōu)點(diǎn)，但是也存在局限性，實(shí)際上不可能全部都使用，下面對(duì)這些手段進(jìn)行一些說明。
表1：信號(hào)完整性測(cè)試手段分類。
1.波形測(cè)試
波形測(cè)試是信號(hào)完整性測(cè)試中最常用的手段，一般是使用示波器進(jìn)行，主要測(cè)試波形幅度、邊沿和毛刺等，通過測(cè)試波形的參數(shù)，可以看出幅度、邊沿時(shí)間等是否滿足器件接口電平的要求，有沒有存在信號(hào)毛刺等。由于示波器是極為通用的儀器，幾乎所有的硬件工程師都會(huì)使用，但并不表示大家都使用得好。波形測(cè)試也要遵循一些要求，才能夠得到準(zhǔn)確的信號(hào)。
首先是要求主機(jī)和探頭一起組成的帶寬要足夠。基本上測(cè)試系統(tǒng)的帶寬是測(cè)試信號(hào)帶寬的3倍以上就可以了。實(shí)際使用中，有一些工程師隨便找一些探頭就去測(cè)試，甚至是A公司的探頭插到B公司的示波器去，這種測(cè)試很難得到準(zhǔn)確的結(jié)果。
其次要注重細(xì)節(jié)。比如測(cè)試點(diǎn)通常選擇放在接收器件的管腳，如果條件限制放不到上面去的，比如BGA封裝的器件，可以放到最靠近管腳的PCB走線上或者過孔上面。距離接收器件管腳過遠(yuǎn)，因?yàn)樾盘?hào)反射，可能會(huì)導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果和實(shí)際信號(hào)差異比較大；探頭的地線盡量選擇短地線等。
最后，需要注意一下匹配。這個(gè)主要是針對(duì)使用同軸電纜去測(cè)試的情況，同軸直接接到示波器上去，負(fù)載通常是50歐姆，并且是直流耦合，而對(duì)于某些電路，需要直流偏置，直接將測(cè)試系統(tǒng)接入時(shí)會(huì)影響電路工作狀態(tài)，從而測(cè)試不到正常的波形。
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2.眼圖測(cè)試
眼圖測(cè)試是常用的測(cè)試手段，特別是對(duì)于有規(guī)范要求的接口，比如E1/T1、USB、10/100BASE-T，還有光接口等。這些標(biāo)準(zhǔn)接口信號(hào)的眼圖測(cè)試，主要是用帶MASK(模板)的示波器，包括通用示波器，采樣示波器或者信號(hào)分析儀，這些示波器內(nèi)置的時(shí)鐘提取功能，可以顯示眼圖，對(duì)于沒有MASK的示波器，可以使用外接時(shí)鐘進(jìn)行觸發(fā)。使用眼圖測(cè)試功能，需要注意測(cè)試波形的數(shù)量，特別是對(duì)于判斷接口眼圖是否符合規(guī)范時(shí)，數(shù)量過少，波形的抖動(dòng)比較小，也許有一下違規(guī)的情況，比如波形進(jìn)入MASK的某部部分，就可能采集不到，出現(xiàn)誤判為通過，數(shù)量太多，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)測(cè)試時(shí)間過長，效率不高，通常情況下，測(cè)試波形數(shù)量不少于2000，在3000左右為適宜。
目前有一些儀器，利用分析軟件，可以對(duì)眼圖中的違規(guī)詳細(xì)情況進(jìn)行查看，比如在MASK中落入了一些采樣點(diǎn)，在以前是不知道哪些情況下落入的，因?yàn)樗械牟蓸狱c(diǎn)是累加進(jìn)去的，總的效果看起來就象是長余暉顯示。而新的儀器，利用了其長存儲(chǔ)的優(yōu)勢(shì)，將波形采集進(jìn)來后進(jìn)行處理顯示，因此波形的每一個(gè)細(xì)節(jié)都可以保留，因此它可以查看波形的違規(guī)情況，比如波形是000010還是101010，這個(gè)功能可以幫助硬件工程師查找問題的根源所在。
3.抖動(dòng)測(cè)試
抖動(dòng)測(cè)試現(xiàn)在越來越受到重視，因?yàn)閷Ｓ玫亩秳?dòng)測(cè)試儀器，比如TIA(時(shí)間間隔分析儀)、SIA3000，價(jià)格非常昂貴，使用得比較少。使用得最多是示波器加上軟件處理，如TEK的TDSJIT3軟件。通過軟件處理，分離出各個(gè)分量，比如RJ和DJ，以及DJ中的各個(gè)分量。對(duì)于這種測(cè)試，選擇的示波器，長存儲(chǔ)和高速采樣是必要條件，比如2M以上的存儲(chǔ)器，20GSa/s的采樣速率。不過目前抖動(dòng)測(cè)試，各個(gè)公司的解決方案得到結(jié)果還有相當(dāng)差異，還沒有哪個(gè)是權(quán)威或者行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
4.TDR測(cè)試
TDR測(cè)試目前主要使用于PCB(印制電路板)信號(hào)線、以及器件阻抗的測(cè)試，比如單端信號(hào)線，差分信號(hào)線，連接器等。這種測(cè)試有一個(gè)要求，就是和實(shí)際應(yīng)用的條件相結(jié)合，比如實(shí)際該信號(hào)線的信號(hào)上升沿在300ps左右，那么TDR的輸出脈沖信號(hào)的上升沿也要相應(yīng)設(shè)置在300ps附近，而不使用30ps左右的上升沿，否則測(cè)試結(jié)果可能和實(shí)際應(yīng)用有比較大的差別。影響TDR測(cè)試精度有很多的原因，主要有反射、校準(zhǔn)、讀數(shù)選擇等，反射會(huì)導(dǎo)致較短的PCB信號(hào)線測(cè)試值出現(xiàn)嚴(yán)重偏差，特別是在使用TIP(探針)去測(cè)試的情況下更為明顯，因?yàn)門IP和信號(hào)線接觸點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致很大的阻抗不連續(xù)，導(dǎo)致反射發(fā)生，并導(dǎo)致附近三、四英寸左右范圍的PCB信號(hào)線的阻抗曲線起伏。
5.時(shí)序測(cè)試
現(xiàn)在器件的工作速率越來越快，時(shí)序容限越來越小，時(shí)序問題導(dǎo)致產(chǎn)品不穩(wěn)定是非常常見的，因此時(shí)序測(cè)試是非常必要的。測(cè)試時(shí)序通常需要多通道的示波器和多個(gè)探頭，示波器的邏輯觸發(fā)或者碼型和狀態(tài)觸發(fā)功能，對(duì)于快速捕獲到需要的波形，很有幫助，不過多個(gè)探頭在實(shí)際操作中，并不容易，又要拿探頭，又要操作示波器，那個(gè)時(shí)候感覺有孫悟空的三頭六臂就方便多了。邏輯分析儀用做時(shí)序測(cè)試并不多，因?yàn)樗饕饔檬欠治龃a型，也就是分析信號(hào)線上跑的是什么碼，和代碼聯(lián)系在一起，可以分析是哪些指令或者數(shù)據(jù)。在對(duì)于要求不高的情況下，可以用它來測(cè)試，它相對(duì)示波器來說，優(yōu)勢(shì)就是通道數(shù)多，但是它的劣勢(shì)是探頭連接困難，除非設(shè)計(jì)的時(shí)候就已經(jīng)考慮了連接問題，否則飛線就是唯一的選擇，如果信號(hào)線在PCB的內(nèi)層，幾乎很難做到。
6.頻譜測(cè)試
對(duì)于產(chǎn)品的開發(fā)前期，這種測(cè)試應(yīng)用相對(duì)比較少，但是對(duì)于后期的系統(tǒng)測(cè)試，比如EMC測(cè)試，很多產(chǎn)品都需要測(cè)試。通過該測(cè)試發(fā)現(xiàn)某些頻點(diǎn)超標(biāo)，然后可以使用近場掃描儀(其中關(guān)鍵的儀器是頻譜儀)，例如EMCSCANER，來分析板卡上面具體哪一部分的頻譜比較高，從而找出超標(biāo)的根源所在。不過這些設(shè)備相對(duì)都比較昂貴，中小公司擁有的不多，因此通常情況下都是在設(shè)計(jì)時(shí)仔細(xì)做好匹配和屏蔽，避免后面測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)信號(hào)頻譜超標(biāo)，因?yàn)楹笃诎l(fā)現(xiàn)了問題，很多情況下是很難定位的。
7.頻域阻抗測(cè)試
現(xiàn)在很多標(biāo)準(zhǔn)接口，比如E1/T1等，為了避免有太多的能量反射，都要求比較好地匹配，另外在射頻或者微波，相互對(duì)接，對(duì)阻抗通常都有要求。這些情況下，都需要進(jìn)行頻域的阻抗測(cè)試。阻抗測(cè)試通常使用網(wǎng)絡(luò)分析儀，單端端口相對(duì)簡單，對(duì)于差分輸入的端口，可以使用Balun進(jìn)行差分和單端轉(zhuǎn)換。
傳輸損耗測(cè)試，對(duì)于長的PCB走線，或者電纜等，在傳輸距離比較遠(yuǎn)，或者傳輸信號(hào)速率非常高的情況下，還有頻域的串?dāng)_等，都可以使用網(wǎng)絡(luò)分析儀來測(cè)試。同樣的，對(duì)于PCB差分信號(hào)或者雙絞線，也可是使用Balun進(jìn)行差分到單端轉(zhuǎn)換，或者使用4端口網(wǎng)絡(luò)分析來測(cè)試。多端口網(wǎng)絡(luò)分析儀的校準(zhǔn)，使用電子校準(zhǔn)件可以大大提高校準(zhǔn)的效率。
8.誤碼測(cè)試
誤碼測(cè)試實(shí)際上是系統(tǒng)測(cè)試，利用誤碼儀，甚至是一些軟件都可做，比如可以通過兩臺(tái)電腦，使用軟件，測(cè)試連接兩臺(tái)電腦間的網(wǎng)絡(luò)誤碼情況。誤碼測(cè)試可以對(duì)數(shù)據(jù)的每一位都進(jìn)行測(cè)試，這是它的優(yōu)點(diǎn)，相比之下示波器只是部分時(shí)間進(jìn)行采樣，很多時(shí)間都在等待，因此漏過了很多細(xì)節(jié)。低誤碼率的設(shè)備的誤碼測(cè)試很耗費(fèi)時(shí)間，有的測(cè)試時(shí)間是一整天，甚至是數(shù)天。
實(shí)際中如何選用這上述測(cè)試手段，需要根據(jù)被測(cè)試對(duì)象進(jìn)行具體分析，不同的情況需要不同的測(cè)試手段。比如有標(biāo)準(zhǔn)接口的，就可以使用眼圖測(cè)試、阻抗測(cè)試和誤碼測(cè)試等，對(duì)于普通硬件電路，可以使用波形測(cè)試、時(shí)序測(cè)試，設(shè)計(jì)中有高速信號(hào)線，還可以使用TDR測(cè)試。對(duì)于時(shí)鐘、高速串行信號(hào)，還可以抖動(dòng)測(cè)試等。
另外上面眾多的儀器，很多都可以實(shí)現(xiàn)多種測(cè)試，比如示波器，可以實(shí)現(xiàn)波形測(cè)試，時(shí)序測(cè)試，眼圖測(cè)試和抖動(dòng)測(cè)試等，網(wǎng)絡(luò)分析儀可以實(shí)現(xiàn)頻域阻抗測(cè)試、傳輸損耗測(cè)試等，因此靈活應(yīng)用儀器也是提高測(cè)試效率，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在問題的關(guān)鍵。
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信號(hào)完整性仿真
信號(hào)完整性測(cè)試是信號(hào)完整性設(shè)計(jì)的一個(gè)手段，在實(shí)際應(yīng)用中還有信號(hào)完整性仿真，這兩個(gè)手段結(jié)合在一起，為硬件開發(fā)活動(dòng)提供了強(qiáng)大的支持。圖1是目前比較常見的硬件開發(fā)過程。
圖1：常見的硬件設(shè)計(jì)流程。
在需求分析和方案選擇階段，就可以應(yīng)用一些信號(hào)完整性測(cè)試手段和仿真手段來分析可行性，或者判斷哪種方案優(yōu)勝，比如測(cè)試一些關(guān)鍵芯片的評(píng)估板，看看信號(hào)的電平、速率等是否滿足要求，或者利用事先得到的器件模型，進(jìn)行仿真，看接口的信號(hào)傳輸距離是否滿足要求等。在平時(shí)利用測(cè)試手段，也可以得到一些器件的模型，比如電纜的傳輸模型，這種模型可以利用在仿真中，當(dāng)這些模型積累比較多，一些部分測(cè)試，包括設(shè)計(jì)完畢后的驗(yàn)證測(cè)試，可以用仿真來替代，這對(duì)于效率提高很有好處，因?yàn)橐粋€(gè)設(shè)計(jì)中的所有的信號(hào)都完全進(jìn)行測(cè)試，是比較困難的，也是很耗費(fèi)時(shí)間的。
在設(shè)計(jì)階段，通常是使用仿真手段，對(duì)具體問題進(jìn)行分析，比如負(fù)載的個(gè)數(shù)，PCB信號(hào)線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整，以便將大多數(shù)的信號(hào)完整性問題解決在設(shè)計(jì)階段。
系統(tǒng)調(diào)試以及驗(yàn)證測(cè)試階段，主要是利用信號(hào)完整性測(cè)試手段，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行測(cè)試，看是否設(shè)計(jì)的要求。如果發(fā)現(xiàn)了嚴(yán)重問題，就要去解決，信號(hào)完整性的測(cè)試和仿真手段都將用來尋找問題的根源，以及尋找適合的解決方案上面。
信號(hào)完整性測(cè)試和信號(hào)完整性仿真緊密結(jié)合，是信號(hào)完整性設(shè)計(jì)的基本要求。
應(yīng)用實(shí)例
某種進(jìn)口電纜A在公司的各個(gè)產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用，由于是獨(dú)家供應(yīng)商，多年價(jià)格一直沒有下降過，在通信產(chǎn)品的價(jià)格逐年大幅度地下降的情況下，是不大正常的，這種情況下需要尋找替代的供應(yīng)商，由于涉及的產(chǎn)品眾多，并且產(chǎn)品在網(wǎng)絡(luò)中的地位很高，替代就顯得非常謹(jǐn)慎，因此需要通過多方面測(cè)試驗(yàn)證，才能夠決定能否替代。
根據(jù)規(guī)格需求，找到擬用來替代的國產(chǎn)電纜B，根據(jù)這種情況，設(shè)計(jì)多種測(cè)試進(jìn)行驗(yàn)證兩種電纜的效果：1.頻域測(cè)試：測(cè)試兩種電纜的傳輸損耗、反射、串?dāng)_等；2.時(shí)域測(cè)試：測(cè)試兩種電纜的眼圖測(cè)試、波形測(cè)試等；3.仿真：利用仿真軟件，仿真眼圖傳輸情況；4.其他測(cè)試：呼叫測(cè)試(系統(tǒng)測(cè)試的一種，模擬實(shí)際應(yīng)用的性能)。圖2、3和4是部分的測(cè)試結(jié)果。
圖2：兩種電纜的差分傳輸損耗(上)和差分近端串?dāng)_(下)。
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圖3：仿真?zhèn)鬏斞蹐D(上：電纜A，下：電纜B)。
從圖2可以看到，兩種電纜的差分傳輸損耗差不多，而電纜A得近端串?dāng)_則相對(duì)比較大。圖3使用了仿真軟件，仿真20米長的電纜，傳輸40Mbps信號(hào)的眼圖情況，仿真使用的電纜模型是利用上面頻域測(cè)試得到的模型，通過仿真可以看到電纜B的眼圖比電纜A的眼圖要好，不論眼高還是眼圖抖動(dòng)。
圖4：實(shí)際應(yīng)用測(cè)試(上：電纜A，下：電纜B)。
圖4是實(shí)際應(yīng)用的眼圖情況，很明顯電纜B的眼圖要比電纜A的眼圖要好，和前面的仿真結(jié)果比較吻合，不過電纜A的實(shí)際反射比較大一點(diǎn)，這和仿真使用驅(qū)動(dòng)器件的模型有關(guān)。
綜合其他測(cè)試的結(jié)果，最后結(jié)論認(rèn)為擬用來替代的國產(chǎn)電纜B，性能優(yōu)于進(jìn)口電纜電纜A，因此完全可以替代。這個(gè)替代，將給公司帶來每年數(shù)百萬元的成本下降。
