提升信號完整性的關鍵技巧

從模擬到測量

資料中心利用發射系統與接收系統之間的通道，能準確有效地傳遞有價值的資訊。如果通道性能不良，可能會導致信號完整性問題，進而影響傳輸資料的正確解讀。因此，在開發通道設備和互連產品時，確保高度的信號完整性至關重要。測試、識別並解決導致設備信號完整性問題的根本原因，成為工程師面臨的重大挑戰。本文介紹了一些模擬與測量的建議，旨在幫助您設計出具備優異信號完整性的設備。

中央處理器（CPU）可以將資訊傳送到發光二極體顯示器，它是一個典型的數位通信通道範例。該通道 — CPU 與顯示器之間的所有介面 — 包括互連設備，如顯示卡、電纜與板載視頻處理器。每台設備及其在通道中的連接，均可能對 CPU 的資料傳輸產生干擾。

信號完整性問題可能包含串擾、時延、振鈴及電磁干擾。及早解決信號完整性問題，能讓您開發出更具可靠性且高效能的產品，並有助於降低成本。

 

通道模擬

工程師通常會使用電子設計自動化（EDA）軟體來進行電路模擬。這些設計自動化軟體採用逐位元和統計模擬技術，提供快速且準確的通道模擬。演算法建模介面是這些設計軟體使用的一種標準，它能輕鬆模擬從發射端到接收端的多十億位元串列鏈路。

除了模擬軟體，工程師還會使用眼圖、混合模式 S 參數、時域反射測量（TDR）和單脈衝回應等信號分析工具。在模擬從發射機到接收機的資料傳輸時，示波器顯示的眼圖可作為分析工具，幫助評估通道性能。

眼圖的寬度和高度是信號失真的關鍵指標。較大的眼圖意味著資料傳輸順利；而閉合的眼圖則表示信號完整性大幅下降。如果發射機端顯示開眼，而接收機端顯示閉眼，下一步就是要找出通道中哪些設備或互連造成了信號衰減。您可以直接查看發射機輸出端的眼圖，並追溯每一個互連直到接收機，從中找出導致信號衰減的設備。

 

確定信號衰減的根本原因

在描述某一設備的頻率特性時，工程師通常會使用 S 參數作為標準。互連的 S 參數（無論是在時域還是頻域中進行測量）代表了互連的特徵模型。這些參數涵蓋了信號從進入一個埠到離開另一個埠時的所有特性資訊。

為了確定信號衰減的根本原因，首先需要明確您對 S 參數的期望值。將期望值與實際測量值進行比較，能幫助識別導致信號完整性衰減的通道區域。

接下來，您需要深入分析被測設備與設備之間的連接，以確定根本原因。對於差分通道，您可以使用混合模式 S 參數來進行分析。最常見的 S 參數包括與電磁干擾有關的差分回波損耗（SDD11）、差分插入損耗（SDD21）和差分至共模轉換（SCD21）。

在分析傳輸品質時，還需特別注意反射因素。每當發生暫態阻抗變化時，信號就會被反射。這些反射會使回傳的原始信號出現延遲（如圖 2 所示），並與原始信號疊加，造成相消干擾。

探索和設計信號完整性解決方案

在初步找到信號衰減的根本原因之後，您需要研究並確定最佳的解決方案。首先，應該執行去除設計缺陷後的模擬測試，以驗證您是否確實找到了信號完整性衰減的根本原因。我們建議，與其將有問題的區域刪除作為解決方案，不如試著在接收端添加均衡，例如加入決策回饋均衡（DFE）、頻域中的連續時間線性均衡或時域中的發射機前饋均衡。同樣，您也可以通過模擬來添加均衡，並在示波器上即時觀察眼圖變化，以測試該均衡是否已經解決信號完整性衰減的問題。

如圖 3 所示，另一個測試選項是將眼圖範本應用於添加均衡之前和之後。添加均衡之前，圖像會相交，表示眼圖閉合；而在添加均衡之後，圖像不再相交，表示眼圖已經打開。

 

信號完整性測量分析

當產品設計從模擬階段進展到硬體階段時，您需要使用向量網路分析儀（VNA）來測試高速數位互連。首先，您需要了解通道、實體層設備、連接器、電纜、背板或印刷電路板的預期測量結果。在獲得實際測量結果後，將其與預期結果進行比較。我們的目標是通過軟體和硬體建立一個可靠的信號完整性工作流程。硬體測量步驟包括儀器設置、獲取通道資料以及分析通道性能。

對於像 VNA 這類高動態範圍的儀器，您需要充分了解誤差校正，才能確保最準確的 S 參數測量。誤差校正包括校準（測量前的誤差校正）和去嵌入（測量後的誤差校正）。透過調整校準和去嵌入的參考點，來檢查通道中除了 DUT（被測設備）之外的所有節點。以下內容將介紹校準與去嵌入誤差校正的差異及其使用方法。

 

校準服務

預設情況下，當 VNA 開啟時，其參考平面位於前面板。將電纜連接到被測設備（DUT）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構。SOLT 是最常見的方法。

電纜可以直接連接到 DUT 或夾具。夾具安裝在電纜和 DUT 之間，幫助適配不同類型的連接器，例如 HDMI、顯示埠、串列 ATA 和 PCI Express。在這個例子中，校準參考面包括電纜，而去嵌入參考面則包括夾具。當校準誤差校正和去嵌入結合使用時，必須涵蓋通道中所有與 DUT 相連的互連部分。將 DUT 連接後，您可以進行測量，並執行測量後的去嵌入誤差校正。

 

去嵌入

完成測量後，您需要在 DUT 的輸入端和輸出端設置去嵌入參考點，以便移除測試夾具。移除測試夾具後，也就去除了引入到系統中的損耗和反射，最終能得到 DUT 的準確 S 參數測量和表徵結果。

透過將兩層校正（校準和去嵌入）後的 S 參數結果與預期結果進行比較，您可以進行模型調整，使其與實際測量值相匹配，然後繼續進行設備開發。

克服信號完整性問題

隨著資料傳輸速度的提升，信號完整性對於通道設備和互連產品變得越來越重要。為了確保您的設備具有卓越的信號完整性，首先您需要確定希望獲得的模擬結果，然後再將其與實際測量結果進行比較。

接著，結合信號分析技術（例如在示波器上顯示的眼圖）與模擬軟體，您可以找出導致信號衰減的根本原因。下一步是確定合適的解決方案，並使用軟體和硬體來建立一個可靠的信號完整性工作流程。

必須使用高品質的 VNA，設置校準參考面來執行 S 參數測量，並設置去嵌入參考面來正確移除夾具。測量結果將包括準確的 S 參數和可靠的 DUT 特性。及早解決信號完整性問題，您將能夠優化電路設計，確保設備的卓越性能和競爭力的價格優勢。