作者丨鼎陽(yáng)科技 張賀陽(yáng)

什么是高速信號(hào)

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，信息交換的速度不斷提高，高速信號(hào)的頻率和復(fù)雜度也不斷增加，如何準(zhǔn)確測(cè)試和測(cè)量高速信號(hào)是確保各類系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵。

什么樣的信號(hào)可以被稱作是高速信號(hào)呢？我們通常把具備以下特征的信號(hào)視為高速信號(hào)：

·頻率大于50MHz的信號(hào)，特別是時(shí)鐘信號(hào)頻率達(dá)到50MHz以上的信號(hào)

·上升沿時(shí)間短的快沿信號(hào)，當(dāng)上升沿時(shí)間小于50ps時(shí)，信號(hào)變化速度極快，也可以被認(rèn)定為高速信號(hào)

·從走線長(zhǎng)度角度，如果走線的長(zhǎng)度小于有效波長(zhǎng)的 20%，且信號(hào)的上升沿時(shí)間較短，也符合高速信號(hào)的范疇。

高速信號(hào)具有一些顯著的特點(diǎn)。其在傳輸過(guò)程中容易遭受各種干擾，如電磁干擾、串?dāng)_等，這可能導(dǎo)致信號(hào)的畸變和失真。此外，高速信號(hào)的頻率較高，往往要求電路中的元件能夠快速響應(yīng)，以保證信號(hào)的準(zhǔn)確傳輸。

信號(hào)完整性測(cè)試

信號(hào)完整性，是指信號(hào)在傳輸過(guò)程中保真度的問(wèn)題，主要研究高速信號(hào)在傳輸過(guò)程中由于阻抗匹配、串?dāng)_等因素導(dǎo)致的信號(hào)質(zhì)量變差的情況。它可以表征高速信號(hào)通過(guò)鏈路之后，受到鏈路中的干擾，阻抗等因素導(dǎo)致質(zhì)量的質(zhì)量問(wèn)題，從而確保發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間能夠正常傳輸。

信號(hào)完整性測(cè)試包含的內(nèi)容十分廣泛，使用到的測(cè)試儀器也多種多樣，接下來(lái)我們將介紹幾種常見(jiàn)的測(cè)試方法來(lái)幫助工程師快速定位和解決問(wèn)題。

波形測(cè)試

波形測(cè)試是信號(hào)完整性測(cè)試中最簡(jiǎn)單也是最常用的手段，通過(guò)觀察示波器測(cè)試的波形的幅度、邊沿、過(guò)沖、衰落等，來(lái)判斷信號(hào)經(jīng)過(guò)發(fā)送鏈路后，還是否滿足接收機(jī)的電平要求。

使用SDS7000A測(cè)試以太網(wǎng)信號(hào)

示波器捕獲到波形之后，可以對(duì)波形進(jìn)行ZOOM放大，這樣我們不僅可以通過(guò)示波器下方的統(tǒng)計(jì)欄觀察波形的整體情況，還可以觀察局部細(xì)節(jié)中波形的過(guò)沖、衰落的幅度。

在觀察某些數(shù)字信號(hào)的時(shí)候，我們會(huì)很關(guān)注信號(hào)的時(shí)序，我們可以使用八通道示波器來(lái)幫助我們觀察單個(gè)信號(hào)的建立時(shí)間和保持時(shí)間，或者測(cè)試不同信號(hào)在經(jīng)過(guò)電路網(wǎng)絡(luò)之后出現(xiàn)的偏移和時(shí)延。又或者是觀察在嵌入式電路中的電源軌，通過(guò)特定的觸發(fā)來(lái)分析不同節(jié)點(diǎn)的上電、掉電時(shí)序要求。

使用八通道進(jìn)行上電時(shí)序分析

眼圖測(cè)試

數(shù)字信號(hào)的眼圖中包含了豐富的信息，可以體現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的整體特征，能夠很好地評(píng)估數(shù)字信號(hào)的質(zhì)量，因而眼圖的分析是數(shù)字系統(tǒng)信號(hào)完整性分析的關(guān)鍵之一。特別是對(duì)于有著某種規(guī)范要求的接口，如USB、Ethernet、PCIe、HDMI等，可以通過(guò)眼圖測(cè)試配合模板來(lái)測(cè)試接口是否符合一致性規(guī)范。

眼圖（Eye Diagram）是用余輝方式累積疊加顯示采集到的串行信號(hào)的比特位的結(jié)果，疊加后的圖形形狀看起來(lái)和眼睛很像，故名眼圖。眼圖是一系列數(shù)字信號(hào)在示波器上累積而顯示的圖形，它包含了豐富的信息，從眼圖上可以觀察出碼間串?dāng)_和噪聲的影響，體現(xiàn)了數(shù)字信號(hào)整體的特征，從而估計(jì)系統(tǒng)優(yōu)劣程度。

鼎陽(yáng)科技的SDS7000A的實(shí)時(shí)眼圖功能可以自動(dòng)生成信號(hào)的眼圖，在指定好信源后，點(diǎn)擊UI中的快速設(shè)置可以自動(dòng)設(shè)置水平/垂直擋位和電平，并調(diào)出常用的測(cè)量項(xiàng)，比如眼高，眼寬，時(shí)間間隔誤差TIE等。

抖動(dòng)分析

隨著數(shù)據(jù)速率的不斷提高，高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)的時(shí)序冗余度越來(lái)越小。要確保接收端采集到的串行數(shù)據(jù)信號(hào)有效和穩(wěn)定，工程師要熟知各種抖動(dòng)分量，尤其是他們對(duì)數(shù)據(jù)有效時(shí)間窗口的影響。目前主要使用示波器捕獲和查看波形的抖動(dòng)。SDS7000A提供抖動(dòng)分析測(cè)量選件，以各種方式顯示抖動(dòng)，還可以將各種抖動(dòng)分量分離出來(lái)。

抖動(dòng)是指隨時(shí)間變化的信號(hào)對(duì)其當(dāng)時(shí)理想位置的偏離，往往又被稱作時(shí)間間隔誤差（TIE），以每個(gè)周期點(diǎn)的累計(jì)時(shí)間值相對(duì)當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)的理想值偏差為樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，這個(gè)時(shí)間偏差算法呈現(xiàn)累積效應(yīng)，是一個(gè)積分運(yùn)算，可以反映出信號(hào)的長(zhǎng)期抖動(dòng)。目前大部分高速串行總線都采用嵌入式時(shí)鐘，嵌入式時(shí)鐘必須由接收端進(jìn)行時(shí)鐘恢復(fù)之后才能查看。對(duì)含有嵌入式時(shí)鐘的串行總線數(shù)據(jù)信號(hào)執(zhí)行抖動(dòng)分析，要求示波器必須能夠從數(shù)據(jù)信號(hào)中恢復(fù)時(shí)鐘。抖動(dòng)分析選件中的軟件算法可以完成這一任務(wù)。其方法是創(chuàng)建一個(gè)虛擬時(shí)鐘，以仿真串行數(shù)據(jù)總線接收端的時(shí)鐘恢復(fù)。示波器以此恢復(fù)時(shí)鐘為參考，對(duì)采集到示波器存儲(chǔ)器中的串行數(shù)據(jù)進(jìn)行逐個(gè)邊沿對(duì)齊，完成 TIE 測(cè)量。

實(shí)際上，我們常常將眼圖和抖動(dòng)分析放在一起來(lái)說(shuō)，這是因?yàn)樗麄兊姆治龇绞绞穷愃频模际窍冗M(jìn)行時(shí)鐘恢復(fù)，然后再以此恢復(fù)時(shí)鐘作為參考來(lái)對(duì)波形進(jìn)行分析。他們的不同之處在于，示波器的眼圖中只能分析總的抖動(dòng)，也就是TIE，但是在抖動(dòng)分析的功能中，我們可以把不同的抖動(dòng)分量分解出來(lái)，從而得到RJ、DCD、PJ等分量，更好的對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析。

抖動(dòng)的分解

使用SDS7000A進(jìn)行抖動(dòng)分析

在抖動(dòng)分解中SDS7000A支持繪制浴盆曲線。浴盆曲線的橫坐標(biāo)是時(shí)間，范圍是一個(gè)周期；縱坐標(biāo)是誤碼率。浴盆曲線表征的是眼睛在水平方向上的開合程度與誤碼率的關(guān)系，浴盆的“盆底”即對(duì)應(yīng)的誤碼率下眼睛的張開程度。

阻抗測(cè)試

對(duì)于高速信號(hào)而言，阻抗匹配是一個(gè)非常值得關(guān)注的點(diǎn)，阻抗不匹配帶來(lái)的反射會(huì)在接收機(jī)處產(chǎn)生噪聲。因此，我們常使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀來(lái)進(jìn)行阻抗分析，從而反映多重反射引起的噪聲。

對(duì)于PCB板上的走線，我們同樣可以使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀搭配TDR探頭進(jìn)行測(cè)試。相較于示波器+信號(hào)發(fā)生器的TDR方案，使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀能夠在較高的頻率下進(jìn)行測(cè)試，并且信號(hào)注入可以選擇探頭的方式，測(cè)試場(chǎng)景更加靈活。

阻抗不匹配，特別是差分電路中，對(duì)于信號(hào)質(zhì)量的影響很大。如圖為相同的DUT發(fā)送PAM3差分信號(hào)，粉色跡線為兩根差分線良好匹配時(shí)接收到的信號(hào)，黃色為不完全匹配，可以明顯看出，黃色跡線的過(guò)沖和欠幅非常明顯。

不同的匹配情況下差分線的信號(hào)質(zhì)量

我們?cè)跍y(cè)試差分阻抗時(shí)，可以使用網(wǎng)絡(luò)分析儀的TDR功能來(lái)測(cè)試單端走線阻抗，也可以直接測(cè)試差分阻抗。

使用TDR探頭進(jìn)行測(cè)試

頻域測(cè)試

高速信號(hào)沿著PCB上的導(dǎo)線進(jìn)行傳輸時(shí)，實(shí)質(zhì)上是按照電磁波的方式在傳播，在整個(gè)傳輸路徑上能量存在于隨時(shí)間交替變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)中。在實(shí)際的應(yīng)用中，電磁場(chǎng)能量并不限制在傳播導(dǎo)線內(nèi)，有相當(dāng)一部分的磁場(chǎng)能量存在于導(dǎo)線之外，當(dāng)高速信號(hào)沿著某一根導(dǎo)線傳播時(shí)，其電場(chǎng)和磁場(chǎng)將通過(guò)某種方式耦合到其他線路內(nèi)，當(dāng)這種耦合的電磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到一定量時(shí)會(huì)產(chǎn)生無(wú)法預(yù)期的信號(hào)，這樣就導(dǎo)致了串?dāng)_和電磁輻射，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)對(duì)原信號(hào)的傳輸質(zhì)量產(chǎn)生影響。

我們可以使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行信號(hào)鏈路的串?dāng)_測(cè)試，并且在測(cè)試開始之前設(shè)置極限值，從而完成自動(dòng)化測(cè)試。當(dāng)PCB走線過(guò)長(zhǎng)，或者速率很高時(shí)，近端串?dāng)_是需要考慮的點(diǎn)。在測(cè)試差分信號(hào)時(shí)，可以使用四端口矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測(cè)試，也可以使用巴倫轉(zhuǎn)化成單端信號(hào)再進(jìn)行測(cè)試。

后期的系統(tǒng)測(cè)試（如 EMC測(cè)試）中，很多產(chǎn)品都需要進(jìn)行輻射測(cè)試。通過(guò)頻譜測(cè)試可以發(fā)現(xiàn)某些頻點(diǎn)的功率是否超標(biāo)，可以使用近場(chǎng)探頭，如SRF5030等，來(lái)分析板卡上具體哪一部分的頻譜較高，進(jìn)而找出超標(biāo)的根源。

使用頻譜儀進(jìn)行EMI測(cè)試

頻域測(cè)試的優(yōu)點(diǎn)包括：能夠直觀地展示信號(hào)在不同頻率上的分布情況；可以方便地測(cè)量和分析系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性，如帶寬、增益平坦度等；對(duì)于一些復(fù)雜的信號(hào)或系統(tǒng)，頻域分析可能比時(shí)域分析更容易發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。在高速信號(hào)的測(cè)試中，往往會(huì)將時(shí)域測(cè)試和頻域測(cè)試相結(jié)合，從而更完整地了解和評(píng)估整個(gè)系統(tǒng)的性能。

產(chǎn)品概覽

為進(jìn)行高速信號(hào)測(cè)試，本文提到的產(chǎn)品如下：

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SIGLENT

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鼎陽(yáng)硬件智庫(kù)

鼎陽(yáng)硬件設(shè)計(jì)與測(cè)試智庫(kù)（簡(jiǎn)稱鼎陽(yáng)硬件智庫(kù)）由深圳市鼎陽(yáng)科技股份有限公司領(lǐng)銜創(chuàng)辦，是中國(guó)第一家“智力眾籌”模式的硬件智庫(kù)。

鼎陽(yáng)硬件智庫(kù)順時(shí)順勢(shì)，倡導(dǎo)“連接-分享-協(xié)作-創(chuàng)造”的理念，高舉志愿者服務(wù)的大旗，相信互聯(lián)網(wǎng)是“愛(ài)”的大本營(yíng)，相信人們都有發(fā)自內(nèi)心分享的愿望。

鼎陽(yáng)硬件智庫(kù)選擇硬件領(lǐng)域最普遍的七類問(wèn)題：電源，時(shí)鐘，DDR，低速總線，高速總線，EMC，測(cè)試測(cè)量進(jìn)行聚焦。尋找“最針尖”的問(wèn)題進(jìn)行研討，針對(duì)“最針尖”的問(wèn)題組織專家答疑，將硬件大師積累的寶貴知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)變成公眾財(cái)富，惠及更多硬件人。

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