數(shù)據(jù)中心利用發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)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(dǎo)致信號完整性問題，并且影響所傳數(shù)據(jù)的正確解讀。因此，在開發(fā)通道設(shè)備和互連產(chǎn)品時，確保高度的信號完整性非常關(guān)鍵。測試、識別和解決導(dǎo)致設(shè)備信號完整性問題的根源，就成了工程師面臨的巨大挑戰(zhàn)。本文介紹了一些仿真和測量建議，旨在幫助您設(shè)計出具有優(yōu)異信號完整性的設(shè)備。

       中央處理器（CPU）可將信息發(fā)送到發(fā)光二極管顯示器，它是一個典型的數(shù)字通信通道示例。該通道 — CPU 與顯示器之間的所有介質(zhì) — 包括互連設(shè)備，例如顯卡、線纜和板載視頻處理器。每臺設(shè)備以及它們在通道中的 連接都會干擾 CPU 的數(shù)據(jù)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(fā)出可靠性更高的高性能的產(chǎn)品，也有助于降低成本。

一、通道仿真

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

      眼圖的寬度和高度是信號失真的關(guān)鍵指標。寬大的眼圖意味著數(shù)據(jù)傳輸良好。閉合的眼圖表示信號完整性大幅降低。如果發(fā)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(shè)備或互連導(dǎo)致了信號衰減。工程師可以直接查看發(fā)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(dǎo)致信號衰減的組件。

圖 1：閉合的眼圖和正常的眼圖的示例

二、確定信號衰減的根本原因

       描述給定設(shè)備的頻率特性時，工程師可以使用 S 參數(shù)作為標準。互連的 S 參數(shù)（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(shù)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(shù)的期望值。將期望值與測量值進行比較，有助于識別導(dǎo)致信號完整性衰減的通道區(qū)域。

       接下來，您需要更深入地研究被測設(shè)備和設(shè)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(shù)進行分析。常見的 S 參數(shù)是與電磁干擾有關(guān)的差分回波損耗（SDD11）、差分插入損耗（SDD21）和差分至共模轉(zhuǎn)換（SCD21）。

       在分析傳輸質(zhì)量時，還需要重點考慮反射因素。每當出現(xiàn)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(xiàn)延遲（如下圖 2 所示），并與原始信號結(jié)合而產(chǎn)生干擾。

圖 2：反射對信號質(zhì)量的影響

三、探索和設(shè)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佳的解決方案。首先，要執(zhí)行去除設(shè)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(qū)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(xù)時間線性均衡或時域中的發(fā)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(jīng)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(yīng)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

四、信號完整性分析

       當產(chǎn)品設(shè)計從仿真階段進展到硬件環(huán)節(jié)時，您需要使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）來測試高速數(shù)字 互連。首先，您需要對通道、物理層設(shè)備、連接器、電纜、背板或印刷電路板的預(yù)期測量結(jié)果有所了解。在獲得實際測量結(jié)果之后，再將實際結(jié)果與這個預(yù)期結(jié)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(shè)置，獲取通道數(shù)據(jù)，以及分析通道性能。

       對于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA） 等高動態(tài)范圍的儀器，您需要全面了解誤差校正，才能確保準確的 S 參數(shù)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(diào)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(jié)點項目。以下內(nèi)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。

五、信號校準

       默認情況下，當 矢量網(wǎng)絡(luò)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(shè)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(jié)構(gòu)。SOLT 是常見的方法。

      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?yún)⒖济姘▕A具。將校準誤差校正和去嵌入相結(jié)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(zhí)行測量后（去嵌入）誤差校正。

圖 4：使用參考面進行校準的測試設(shè)置

六、去嵌入

        完成測量，在 DUT 的輸入和輸出端設(shè)置去嵌入?yún)⒖键c，以便移除測試夾具。移除測試夾具之后，也就去除了引入到系統(tǒng)中的損耗和反射，終得到 DUT 的準確 S 參數(shù)測量和表征結(jié)果。

       通過將兩層校正（校準和去嵌入）的 S 參數(shù)結(jié)果與預(yù)期結(jié)果進行比較，您可以進行模型調(diào)整以便匹配實際測量值，然后繼續(xù)進行設(shè)備開發(fā)。

圖 5：使用參考面進行去嵌入的測試設(shè)置

七、克服信號完整性問題

       隨著數(shù)據(jù)傳輸速度的提高，信號完整性對于通道設(shè)備和互連產(chǎn)品越來越重要。為了確保您的設(shè)備具有出色的信號完整性，首先您要確定好希望獲得的仿真結(jié)果，然后再將其與實際測量結(jié)果進行比較。

       接下來，結(jié)合信號分析技術(shù)（例如在示波器上顯示的眼圖）和仿真軟件，即可找到導(dǎo)致信號衰減的根本原因。下一步就是確定合適的解決方案，使用軟件和硬件來建立可靠的信號完整性工作流程。

       必須使用高質(zhì)量的 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA），設(shè)置校準參考面以執(zhí)行 S 參數(shù)測量，設(shè)置去嵌入?yún)⒖济嬉哉_移除夾具。測量結(jié)果將會包括準確的 S 參數(shù)和可靠的 DUT 特性。盡早解決信號完整性問題，您就可以優(yōu)化電路設(shè)計，保證優(yōu)異的設(shè)備性能和出色的價格優(yōu)勢。