作者丨鼎陽科技 張賀陽

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)確測試和測量高速信號(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)

·從走線長度角度，如果走線的長度小于有效波長的 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)完整性測試

信號(hào)完整性，是指信號(hào)在傳輸過程中保真度的問題，主要研究高速信號(hào)在傳輸過程中由于阻抗匹配、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)完整性測試包含的內(nèi)容十分廣泛，使用到的測試儀器也多種多樣，接下來我們將介紹幾種常見的測試方法來幫助工程師快速定位和解決問題。

波形測試

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

使用SDS7000A測試以太網(wǎng)信號(hào)

示波器捕獲到波形之后，可以對波形進(jìn)行ZOOM放大，這樣我們不僅可以通過示波器下方的統(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，或者測試不同信號(hào)在經(jīng)過電路網(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，通過特定的觸發(fā)來分析不同節(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。特別是對于有著某種規(guī)范要求的接口，如USB、Ethernet、PCIe、HDMI等，可以通過眼圖測試配合模板來測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。

抖動(dòng)是指隨時(shí)間變化的信號(hào)對其當(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)邊沿對齊，完成 TIE 測量。

實(shí)際上，我們常常將眼圖和抖動(dòng)分析放在一起來說，這是因?yàn)樗麄兊姆治龇绞绞穷愃频?，都是先進(jìn)行時(shí)鐘恢復(fù)，然后再以此恢復(fù)時(shí)鐘作為參考來對波形進(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，從而得到RJ、DCD、PJ等分量，更好的對信號(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”即對應(yīng)的誤碼率下眼睛的張開程度。

阻抗測試

對于高速信號(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)分析儀來進(jìn)行阻抗分析，從而反映多重反射引起的噪聲。

對于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)行測試，并且信號(hào)注入可以選擇探頭的方式，測試場景更加靈活。

阻抗不匹配，特別是差分電路中，對于信號(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

我們在測試差分阻抗時(shí)，可以使用網(wǎng)絡(luò)分析儀的TDR功能來測試單端走線阻抗，也可以直接測試差分阻抗。

使用TDR探頭進(jìn)行測試

頻域測試

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)間交替變化的電場和磁場中。在實(shí)際的應(yīng)用中，電磁場能量并不限制在傳播導(dǎo)線內(nèi)，有相當(dāng)一部分的磁場能量存在于導(dǎo)線之外，當(dāng)高速信號(hào)沿著某一根導(dǎo)線傳播時(shí)，其電場和磁場將通過某種方式耦合到其他線路內(nèi)，當(dāng)這種耦合的電磁場強(qiáng)度達(dá)到一定量時(shí)會(huì)產(chǎn)生無法預(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)_測試，并且在測試開始之前設(shè)置極限值，從而完成自動(dòng)化測試。當(dāng)PCB走線過長，或者速率很高時(shí)，近端串?dāng)_是需要考慮的點(diǎn)。在測試差分信號(hào)時(shí)，可以使用四端口矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測試，也可以使用巴倫轉(zhuǎn)化成單端信號(hào)再進(jìn)行測試。

后期的系統(tǒng)測試（如 EMC測試）中，很多產(chǎn)品都需要進(jìn)行輻射測試。通過頻譜測試可以發(fā)現(xiàn)某些頻點(diǎn)的功率是否超標(biāo)，可以使用近場探頭，如SRF5030等，來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測試

頻域測試的優(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)問題。在高速信號(hào)的測試中，往往會(huì)將時(shí)域測試和頻域測試相結(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)測試，本文提到的產(chǎn)品如下：

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SIGLENT

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