【深度好文】一文讲透高速信号完整性分析和测试

随着数字电路工作速度的提高，PCB、连接器、背板上信号的传输速率也越来越高，其中串行数据通信在传输中占据主导地位。按照最严格性能标准制造的拥有精密设计的各种高速互连的PCIE/ETH/VPX背板，以及高速线缆，在当今社会对于高速信号需求普遍存在的大背景下变得至关重要。背板是嵌入式系统中的通信主干，必须按照严格的信号完整性标准进行设计，以确保系统内模块之间及时、准确的数据传输，要满足高速传输的性能预期，信号完整性至关重要。

由于高速串行信号传输速率不断攀升，在电路设计过程中，工程师常常遇到诸多棘手问题，诸如：系统不稳定、间歇性的死机、不同产品兼容性差以及经常出现误码等，而这些现象多半是信号完整性的问题。依照信号传输的完整流程，分别针对 TX 端（发送端）、传输链路以及 RX 端（接收端）进行测试，便能够精准地定位问题根源，从而为后续的优化改进工作提供有力依据，确保高速传输系统的高效稳定运行。

在高速信号传输链路中互连链路上任何一个环节的故障可能影响整个系统工作的效率以及稳定性，对于测试人员需要花费更多的成本去发现问题、定位问题、分析问题、解决问题。新标准逐渐从单一互连简单要求的基础上，额外增加协同整体要求。整个高速链路性能的评估，包括Tx发送端，传输链路，以及Rx接收端三大部分组成，发送、接收、电缆或者背板需要放在一个互连链路中评估。评估时按照时域、频域和其他进行不同仪表的选取。

其中TX发送端经常用示波器进行波形完整性、时序完整性、电源完整性、抖动/眼图等测试。

波形完整性：

主要关注建立保持时间（setup/hold time）、时序抖动（timing jitter）、skew、毛刺等。

抖动/眼图：

损耗、反射、串扰三大信号完整性的杀手给信号传输带来巨大影响，会使信号的抖动变大，眼图变差，干扰时钟恢复，降低系统性能，进而在接收端带来误码。

在高速串行信号物理层一致性测试中，抖动和眼图已经成为了一个绕不开的话题，它是评估高速信号质量的关键测试。随着串行数据传输系统的信号速率越来越高，电压摆幅不断降低来节约功耗，系统中的抖动占信号区间的比例正变得越来越大。因此，抖动眼图已经成为限制性能的一个重要因素。随着抖动的增加，系统误码率便会越大。

抖动又可以按照成因分为：TJ、RJ、DJ。DJ中又可细分为PJ、DCD、ISI/DDJ。

其中Random Jitter(随机抖动)的统计分布是正态高斯分布，是无界抖动，随着样本量的增加RJ会一直增加。

然而Deterministic Jitter (确定性抖动)是有界抖动，在达到有限样本数之后，DJ的peak-peak值不会再增加。

上述抖动在测试中经常用来定位问题信号完整性问题来源，除此之外，我们通常还需要进行眼图的测试来直观的表述信号质量的好坏。眼图是把连续的比特流按照某一特定的时钟，分割为单独的比特，而后叠加而形成的图形，类似一个张开的眼睛，故得名眼图(Eye-diagram)。眼图是高速串行信号的宏观信号质量的整体体现，在眼图中可以直接反映出串行信号的幅度、抖动特性等。

评估一个眼图的好和坏，通常利用一些常见的指标来衡量，比如眼高，眼宽，抖动，占空比等。为了简单而又直观地判断眼图的指标是否符合规范的要求，眼图模板测试是一种评估高速串行信号质量的手段，将规范指标的要求编写成一个眼图模板，然后利用示波器来调用这个模板，这样就可以直观看到眼图是否有碰到模板。如果眼图没有碰到模板区域，表示眼图符合规范要求，结果是Pass；同样如果有碰到模板区域，结果是Fail，需要工程师对电路进行整改，改进信号质量到Pass。

均衡技术：

均衡技术是通过均衡器（Equalizer）均衡信道的衰减、均衡数据的码间干扰。均衡技术以前在通信领域使用，随着高速串行信号的传输速率越来越高，均衡技术的使用场合越来越广，比如现在的PCIE、USB、HDMI、DDR、DP、TBT等高速信号中都使用了均衡的技术。使用了均衡技术后，补偿数据的高频损耗，使信号的高频成分与低频成分基本均衡，从而降低高速信号的码间干扰.

•     其中RX端最常用的均衡包括FFE、CTLE、DFE。

•     FFE实质是使用数字线性高通滤波器提高信号的高频分量，实现信道的补偿, FFE是SerDes系统常用的均衡。为了缓解接收端均衡的压力，通常SerDes的发送端会采用FFE均衡技术对信号进行预均衡。

•     CTLE是直接通过线性模拟高通滤波器拟合信道的衰减，实现信道的补偿。信道的频率响应可以看做是一个低通滤波器，因此将信道和一个高通滤波器串联就能得到一个全通的滤波器。   

•     DFE为判决反馈均衡，就是将判决后的信号反馈到输入信号上。与FFE类似，DFE也是通过数字高频滤波器实现的，DFE可以只放大高频信号，而不放大高频噪声。

•     反射：传输线上分布电容、电感、和小电阻的存在，会导致传输线的分布式阻抗不均匀，信号流经传输线时部分能量会沿原路反射回去，通常使用TDR来测量传输路径的阻抗变化，如下图：

要满足高速传输的性能预期，高信号完整性至关重要，发送端一般利用实时示波器测抖动和眼图，接收端需要利用误码仪进行抖动容限测试和噪声容限测试。接收端中包括CDR时钟恢复、复杂的均衡和信号调理等复杂结构。单纯考察发送端是不足以保证没有误码，接收端的测试也是非常重要，各种高速标准也明确提出了接收端容限测试的规范。

接收端容限测试至关重要。RX接收端是整个高速链路的最终环节，接收端测试由于在芯片内部，在绝大多数场景无法直接观测信号完整性问题。最主流的方式是通过创建最的压力眼来模拟真实世界最苛刻的运行环境。误码仪是构建和校准压力眼的核心测试仪器。对于一个高速传输链路，接收端需要在最严苛的环境中保证可靠的接收传输的数据。发送端和链路上的各种信号完整性问题都会恶化信号，减小接收机的余量。接收端测试需要误码分析仪注入多种不同类型的抖动和噪声等压力信号，模拟严苛复杂的真实环境，来完成RX接收端的抖动容限和噪声容限测试。误码仪是进行高速SerDes芯片接收端测试必备仪器。

测试原理：

目前，中星联华的高性能误码仪是国内首个支持注入抖动和加噪声创建压力信号的高性能误码仪，也是目前国内首款能够满足接收端抖动容限JTOL和噪声容限ITOL测试的误码仪。其中可支持的注入抖动类型有低频正弦抖动、高频周期抖动、BUJ串扰抖动、RJ随机抖动以及SSC扩频时钟等；支持的噪声类型有CMI和DMI和BBN宽带白噪声，有效地解决“卡脖子”的难题。

RX接收端测试利器

产品特色：

•     模块化：多通道灵活配置，单机支持32发32收

•     高速率：1G-120Gbps，数据速率灵活可调

•     压力眼：注抖加噪，让信号拥有72般变化

中星联华高性能误码分析仪具有模块化设计、灵活的通道配置、高速率、注抖加噪创建压力眼信号、超长用户自定义码型等业内领先的核心技术，可用于高速Serdes芯片和高速接口、光芯片、光器件、光模块、光传输、高速互连等领域苛刻的测试。

未来，中星联华将继续秉承开放包容的心态，在产业龙头的需求牵引下，在国家的大力支持下，与国内外同行共同成长，不断开拓，以开放包容的心态持续为国产电子测量仪器产品体系增砖添瓦，为行业应用打造更多可靠易用的测试测量工具！

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