信号完整性分析与S参数测量专题报告

“信号完整性分析与S参数测量专题报告”网络讲座会讲稿

胡为

东Derek.Hu@

美国力科公司上海代表处

视频入

口: /seminar/show/id/67 1.各位网友大家好，我是来自美国力科公司上海代表处的应用工程师胡为东，很

高兴能够和大家相聚在EEPW这个平台上交流有关信号完整性与S参数测试方面的话题，并为大家介绍力科专门针对信号完整性测试工程师打造的一款全新的信号完整性S参数测试仪，名字叫做SPARQ。在会议结束后，我和我力科的同事将在线为您解答您的问题，欢迎大家就您感兴趣的话题进行踊跃提问.下面我们就进入我们正式的话题。

2.本次研讨会的主要议题有如下几个方面，一、信号完整性的基本概念及信号完整性的主要体现；二、高速链路中影响信号完整性的主要因素；三、应对信号完整性的主要方法；四、基于采样示波器TDR/TDT的S参数测量原理；五、VNA 的S参数测量原理；六、S参数测量仪器的校准；七、力科最新的信号完整性S 参数分析仪SPARQ的主要特点介绍。下面我们就简要了解下什么是信号完整性以及信号完整性的主要体现。

3.随着信号速率的提高，信号完整性问题逐渐成为硬件设计工程师们一个非常热门的话题之一。在理想情况下，信号可以保持其本身固有的属性。如本页图所示，如果信号的传输通道和周围环境是理想的，那么一个标准的方波信号通过这个传输通道后不会发生任何变化。而如果传输通道和周围环境不是理想的，那么标准的方波信号经过这个传输通道后，信号的各项特征如幅度、上升时间、周期、过冲等均会发生一定的变化。

4.信号中常常将高于某一个逻辑电平值的部分叫做1电平，而低于某一个逻辑电平值的部分叫做0电平。如图中的Vih和Vil即为逻辑判决电平，信号正是通过这些0和1来传递特有的信息。当信号经过非理想的传输通道后，会发生上升沿变缓、幅度降低、过冲、振铃等现象，这些现象可能导致信号的高电平低于其逻辑判决电平或者低电平高于其逻辑判决电平，从而导致0、1信息的传输错误。

5、从实际应用角度来看，信号完整性问题主要表现为两类，一类是信号质量问题，如过冲、振铃等，另外一类是时序问题，或者叫建立时间和保持时间的问题，也就是数据信号相对于时钟信号的时序关系。

6、建立时间是指时钟的边沿到数据开始有效的时间，即在时钟沿到来之前，数据必须提前一段时间开始有效。保持时间是指时钟沿到数据开始失效的时间，即在时钟沿到来之后数据还必须保持有效一段时间。如图所示为某DDR2的建立时间和保持时间的含义。

7、当前的数字示波器中均设有专门的建立时间和保持时间的测量参数，如图所示为力科示波器里面集成的建立时间和保持时间测量参数，测量建立时间和保持时间时需要对相关的时钟和数据的边沿和电平进行相应的设置。

8、如果将受到干扰的信号的每一个0电平和1电平按照一定的规则叠加到一起显示，就形成了眼图。串扰、振铃等信号质量问题体现在眼图的高电平或者低电平处，即眼图的垂直方向上，而时序问题则显示在眼图的水平方向上的上升沿和下降沿的迹线宽度，也叫眼图的抖动。本页图所示为一个信号经过一段传输线后的眼图。可见，在Tx端眼图迹线很细，眼图张开得很大，而经过一段传输线后，眼图变得模糊，眼图迹线变粗，眼图张开度也明显变小。

9、那么在高速设计中，影响到信号完整性的主要因素有哪些呢？

10、高速系统中最为典型的系统是高速背板系统，因为在高速背板设计中，信号完整性问题显得尤为突出。高速背板上传输的信号速率高，通常都有几个Gbps以上，而且高速信号传输的距离很长，往往有几十个英寸的距离，再者，高速背板上还包含有接插件，过孔等可能会导致阻抗不连续的因素。所有这些组合到一起会给信号带来阻抗不连续、反射、振铃、信号衰减、抖动等信号完整性问题。另外，高速背板上通常有多对高速信号同时传输，还会引起信号间的串扰等问题。如本页图所示即为一个典型的高速背板系统。主要构成有三部分，即线卡、背板和另外一块线卡，线卡上的发送端芯片发送出高速信号，经过线卡上的PCB走线、接插件、过孔到达背板上的传输线，经过一段很长的背板传输线传输后再经过过孔、接插件后到达另外一块线卡上的走线，然后进入另外一块线卡上的接收端芯片。

11、总体来说，高速串行链路中影响信号完整性的主要因素有;接插件、过孔等引起的阻抗不连续问题;很长的高速背板走线引起的信号衰减过大以及码间干扰抖动;高速差分链路之间的串扰问题。

12、那么信号完整性工程师是怎样应付信号完整性问题的呢？

13、信号完整性工程师的思路一般有如下几个步骤：首先理解SI问题可能出现在哪里；然后为其设计制定指导方针；从而编写特定的设计规则；接着创建设计中各组成部分的模型并进行仿真以预测系统性能;然后再通过实际测量来验证系统性能；最后重新定义模型，回到第四步；其中仿真预测和测试验证是解决信号完整性最为重要的两个手段。

14、如果将过孔、接插件、传输线统称为信号的传输通道，那么一个最简单的系统可表示为发送端芯片-互连系统-接收端芯片这样一个系统。如果将前面提到的高速背板系统作一个等效的模型，如本页图所示，由于线卡上走线较短，所以我们把发送端和接收端线卡简化，分别以发送端Transmitter和接收端Receiver表示，通常发送端带有预加重，接收端带有均衡；背板上的互连系统主要用于传输信号，通常用S参数模型来等效。S参数模型可以通过电磁场、CAD等仿真软件仿真得到，也可以通过矢量网络分析仪或者基于TDR/TDT原

理的采样示波器测量得到。如果将芯片模型、通道的S参数模型带入到相应的仿真软件中，由仿真软件提前预测整个系统的大致性能，这一过程即为信号完整性仿真。仿真中所用到的模型主要有芯片模型和S参数模型，芯片模型主要由芯片厂家提供，而S参数模型则主要由信号完整性工程师设法得到，S参数模型体现了整个系统传输通道的性能，包括过孔、接插件、传输线等的性能，是整个仿真中的核心，因此，信号完整性工程师能够准确的获得S参数就显得非常的重要。

15、信号完整性测试一方面用于验证之前仿真结果的准确性或者是验证S参数的准确性，另外一方面是验证最终的测试结果是否满足要求。

16、S参数贯穿于信号完整性仿真和信号完整性测试中。S参数是所有信号完整性问题的核心。通过S参数，用户可以仿真预测系统的各种时域响应，如阶跃响应、脉冲响应；通过S参数，用户还可以对系统进行虚拟探测、通道仿真等。

17、S参数表示的是系统内各个端口之间的信号关系，如反射、损耗、串扰等。以一个较为复杂的四端口S参数（可以设想为高速背板上差分传输线）为例，当从1端口发射一个信号，同时会从1端口反射回来一个信号，2端口、3端口、4端口都会接收到一个信号，1端口反射回来的信号与1端口发射出去的信号之比叫做S11，又成为反射系数；2端口接收到的信号与1端口发射出去的信号之比叫做S21，又称为插入损耗系数；3端口接收到的信号与1端口发射出去的信号之比叫做S31，又称为近端串扰系数；4端口接收到的信号与1端口发射出去的信号之比叫做S41，又称为远端串扰系数；所有这些参数包含有幅度和相位，幅度曲线会随着发射信号的频率的变化而变化。

18、S参数通常以标准的Touchstone格式表示。如本页图所示即为一个S参数的标准格式。

19、S参数的测试方法主要有两种：

一是，VNA即矢量网络分析仪，主要用于微波领域，特点是有较好的精度、但是价格昂贵、校准很复杂、需要一定的微波专业知识才能应用自如、需要配置很多额外的软件才能实现对S参数的分析和验证、体积大比较重、移动或者操作不够方便、测得的S参数无法包含DC频点、测得的S参数与仿真软件容易出现兼容性问题等。另外一种是使用配有TDR模块的高性能采样示波器（如力科的WE100G）的测量，特点是使用时域的方法、不仅能够得到频域S参数结果、也能够观察时域结果、但是需要有多个TDR快沿脉冲模块、价格较贵、校准同样很复杂、体积大比较重、移动操作不够方便等。

从功能上来看，信号完整性工程师都能够使用这两款仪器来进行S参数的测量，但是从价格、性能、方便性等角度来看，这两种测试仪器显然不是最适合信号完整性工程师使用的仪器。

20、下面我们一起了解下基于使用TDR/TDT的采样示波器是如何实现S参数测量的。