1. 引言

高速數(shù)字信號在通過傳輸路徑后，會由于路徑的自身特性對信號造成失真等影響，信號完整性是指信號在傳輸路徑上的質(zhì)量。數(shù)字電路剛出現(xiàn)時，由于傳輸信號速率很低，在電路分析時采用低頻和直流的方法就可以，但隨著數(shù)字信號頻率越來越高，電路的高頻特性越來越顯現(xiàn)出來，需要借助更精確的手段加以分析評估。

信號完整性的測試手段種類繁多，有頻域和時域法，還有一些綜合性的手段，比如誤碼率測試，實驗室通常會配備示波器和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀等儀器進行分析測試。羅德與施瓦茨公司（R&S）矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀ZNB和ZNBT相比傳統(tǒng)的信號完整性測試儀器，同時具備了時域和頻域測量功能，基于矢網(wǎng)豐富的誤差校準(zhǔn)和高動態(tài)范圍，為信號完整性測試提供了強大和全面的分析功能。

2. 技術(shù)背景及產(chǎn)品簡介

對于設(shè)計高速器件、無線組件來說，分析其連接器、PCB板材和傳輸線的時域響應(yīng)和信號完整性至關(guān)重要。在信號完整性分析中，示波器的眼圖功能已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，通過對被測件眼圖的描繪可以得出許多重要的信息，為了使用矢網(wǎng)得到眼圖，首先測量被測件的頻域復(fù)S參數(shù)，通過ZNB/T-K2時域分析選件，對頻域參數(shù)進行逆傅里葉變換，得到時域響應(yīng)。ZNB/T-K20增強時域分析選件根據(jù)定義的比特字符串對時域響應(yīng)進行卷積后得到眼圖結(jié)果。

許多標(biāo)準(zhǔn)接口，比如E1/T1等，為了避免有太多能量反射，對阻抗通常都要求。需要進行時頻域阻抗或回波測試。對于長的PCB走線，或者電纜等，在傳輸距離比較遠，或者傳輸信號速率非常高的情況下，還需對線損、線間串?dāng)_等進行評估。而ZNB/T也可對單端或差分線對進行阻抗與傳輸特性進行分析。

圖1 ZNB/T選件功能介紹

3. 矢網(wǎng)的信號完整性測試應(yīng)用

3.1 眼圖測試

眼圖是比特流數(shù)據(jù)在時域上累積而顯示的圖形，包含了高低點平和這兩種狀態(tài)之間所有轉(zhuǎn)換信息，眼圖的“眼睛”張開的大小反映著碼間串?dāng)_的強弱。“眼睛”張的越大，且眼圖越端正，表示碼間串?dāng)_越小，傳輸線傳輸性能越好；反之表示碼間串?dāng)_越大。

圖2 眼圖式樣

ZNB/T上設(shè)置功能如下圖3所示，需要根據(jù)被測件實際傳輸速率和電平參數(shù)改變設(shè)置。

圖3 眼圖測量設(shè)置界面

1. 選擇儀器內(nèi)置的比特流形式，如PRBS等，同時可根據(jù)需要設(shè)置測試比特流的循環(huán)長度。

2. 根據(jù)比特率確定單個比特的長度，以10 Mbit/s為例，比特符號長度為100ns，最終網(wǎng)分界面顯示時間刻度為-100ns~100ns，該數(shù)值與被測件實際工作頻率相符合，在大多數(shù)情況下，矢網(wǎng)的最高測量頻率應(yīng)當(dāng)大于1.5倍的比特速率。

3. 也可根據(jù)用戶實際業(yè)務(wù)需求載入特定樣式的比特流數(shù)據(jù)。

4. 根據(jù)被測件傳輸電平設(shè)定“0”和“1”的電平。

5. 模擬比特串的上升時間，也可定義上升沿對應(yīng)的電平百分比。

通過如上設(shè)置，即可實現(xiàn)眼圖的結(jié)果顯示，同時可得到關(guān)于眼圖的所有數(shù)值統(tǒng)計結(jié)果，并支持?jǐn)?shù)據(jù)導(dǎo)出后處理。

圖4 眼圖測量結(jié)果統(tǒng)計

針對特定的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)，如USB3.1，SATA3，HDMI1.4，PCIe3等，需根據(jù)協(xié)議規(guī)定的眼圖模板進行測試，如下圖5所示，被測曲線“眼睛”中央及上下方區(qū)域即為模板，當(dāng)被測件結(jié)果觸碰模板區(qū)域時，即判定被測件測試失敗。

圖5 眼圖測量模板

如圖6所示，在實際的高速串行鏈路中，為了對傳輸信道的失真進行抵消，往往會采用發(fā)射端預(yù)加重（Emphasis）和接收端均衡（Equalize）的方式，ZNB/T K20選件提供了多種信號發(fā)射端預(yù)處理或惡化的仿真設(shè)置，除預(yù)加重外，還提供了抖動（Jitter）和噪聲（Noise）的添加，使用者可根據(jù)需求模擬實際信道傳輸情況，并為改善測量結(jié)果提供仿真評估。

圖6 高速串行鏈路示意圖及ZNB/T K20內(nèi)置高級設(shè)置

K20選件中的均衡器可任意設(shè)置，滿足各種實際高速數(shù)據(jù)總線的參數(shù)要求，最大化的靈活適應(yīng)實際測試場景。

圖7 ZNB/T K20內(nèi)置均衡器設(shè)置

3.2 TDR測試

在一般情況下，矢網(wǎng)測量的是被測器件的射頻性能隨頻率的變化。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)分析儀具有時域功能時，測量結(jié)果以時間作為水平顯示軸。隨著矢網(wǎng)功能的日趨強大，現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)分析儀在極限情況下已經(jīng)可以測試5km長的電纜，位置精度也可以達到mm 級，在很多場合下已經(jīng)替代了傳統(tǒng)時域TDR 進行，如脈沖回波損耗、時域阻抗測量。

圖8 不同阻抗在時域下測量結(jié)果

TDR測試目前主要使用于PCB(印制電路板)信號線、以及器件特征阻抗的測試，并顯示出每個阻抗不連續(xù)點的位置和特性比。同時如單端信號線，差分信號線，連接器等。

3.3 傳輸線頻域測試

在使用矢網(wǎng)驗證PCB板上的走線與布板時，往往僅需對感興趣區(qū)域進行測試，需去除探針、焊盤、過孔、管腳帶來的影響。使用ZNB/T四端口或以上矢網(wǎng)可以將兩路物理端口合并為一路差分邏輯端口，進行差分傳輸線測試，通過EMStar Smart Fixture Deembedding (SFD) 或AtaiTec In-Situ Deembedding (ISD)這兩種校準(zhǔn)方式進行校準(zhǔn)、探針或夾具去嵌入。

圖9 PCB片上測量

ZNB/T矢網(wǎng)可內(nèi)置校準(zhǔn)界面，在保證測量精度的情況下，簡化傳統(tǒng)的校準(zhǔn)步驟，提高了PCB片上測量的易用性。結(jié)果同時顯示在界面中，包含差分S參數(shù)，差共模抑制，阻抗等。

圖10 ZNB/T內(nèi)置PCB測量校準(zhǔn)界面

4. 小結(jié)

R&S公司ZNB/T矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀提供了信號完整性測試的新思路，時頻域同時顯示大大簡化了測試系統(tǒng)搭建的復(fù)雜度，降低了測試成本，差分端口設(shè)置和靈活的校準(zhǔn)去嵌入方法保證了各種測試場景下的適用性。

羅德與施瓦茨公司自成立至今的八十多年間，一直致力于為無線電通信提供高性能的測試與測量儀器。