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信號完整性測試的國產儀器及方法
閱讀：194 發(fā)布時間：2024-10-25一、什么是高速信號？
高速信號具有一些顯著的特點。其在傳輸過程中容易遭受各種干擾，如電磁干擾、串擾等，這可能導致信號的畸變和失真。此外，高速信號的頻率較高，往往要求電路中的元件能夠快速響應，以保證信號的準確傳輸。
二、高速信號完整性測試儀器及方法：
信號完整性，是指信號在傳輸過程中保真度的問題，主要研究高速信號在傳輸過程中由于阻抗匹配、串擾等因素導致的信號質量變差的情況。它可以表征高速信號通過鏈路之后，受到鏈路中的干擾，阻抗等因素導致質量的質量問題，從而確保發(fā)射機和接收機之間能夠正常傳輸。
信號完整性測試包含的內容十分廣泛，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。
（一）波形測試
波形測試是信號完整性測試中極其簡單也是很常用的手段，通過觀察示波器測試的波形的幅度、邊沿、過沖、衰落等，來判斷信號經過發(fā)送鏈路后，還是否滿足接收機的電平要求。
使用SDS7000A測試以太網信號
示波器捕獲到波形之后，可以對波形進行ZOOM放大，這樣我們不僅可以通過示波器下方的統(tǒng)計欄觀察波形的整體情況，還可以觀察局部細節(jié)中波形的過沖、衰落的幅度。
在觀察某些數字信號的時候，我們會很關注信號的時序，我們可以使用八通道示波器來幫助我們觀察單個信號的建立時間和保持時間，或者測試不同信號在經過電路網絡之后出現的偏移和時延。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)點的上電、掉電時序要求。
使用八通道進行上電時序分析
（二）眼圖測試
數字信號的眼圖中包含了豐富的信息，可以體現數字信號的整體特征，能夠很好地評估數字信號的質量，因而眼圖的分析是數字系統(tǒng)信號完整性分析的關鍵之一。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的比特位的結果，疊加后的圖形形狀看起來和眼睛很像，故名眼圖。眼圖是一系列數字信號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擾和噪聲的影響，體現了數字信號整體的特征，從而估計系統(tǒng)優(yōu)劣程度。
SDS7000A的實時眼圖功能可以自動生成信號的眼圖，在定好信源后，點擊UI中的快速設置可以自動設置水平/垂直擋位和電平，并調出常用的測量項，比如眼高，眼寬，時間間隔誤差TIE等。
（三）抖動分析
隨著數據速率的不斷提高，高速數字電路設計的時序冗余度越來越小。要確保接收端采集到的串行數據信號有效和穩(wěn)定，工程師要熟知各種抖動分量，尤其是他們對數據有效時間窗口的影響。目前主要使用示波器捕獲和查看波形的抖動。SDS7000A提供抖動分析測量選件，以各種方式顯示抖動，還可以將各種抖動分量分離出來。
抖動是指隨時間變化的信號對其當時理想位置的偏離，往往又被稱作時間間隔誤差（TIE），以每個周期點的累計時間值相對當前時間點的理想值偏差為樣本進行統(tǒng)計分析，這個時間偏差算法呈現累積效應，是一個積分運算，可以反映出信號的長期抖動。目前大部分高速串行總線都采用嵌入式時鐘，嵌入式時鐘必須由接收端進行時鐘恢復之后才能查看。對含有嵌入式時鐘的串行總線數據信號執(zhí)行抖動分析，要求示波器必須能夠從數據信號中恢復時鐘。抖動分析選件中的軟件算法可以完成這一任務。其方法是創(chuàng)建一個虛擬時鐘，以仿真串行數據總線接收端的時鐘恢復。示波器以此恢復時鐘為參考，對采集到示波器存儲器中的串行數據進行逐個邊沿對齊，完成 TIE 測量。
實際上，我們常常將眼圖和抖動分析放在一起來說，這是因為他們的分析方式是類似的，都是先進行時鐘恢復，然后再以此恢復時鐘作為參考來對波形進行分析。他們的不同之處在于，示波器的眼圖中只能分析總的抖動，也就是TIE，但是在抖動分析的功能中，我們可以把不同的抖動分量分解出來，從而得到RJ、DCD、PJ等分量，更好的對信號進行分析。
抖動的分解
使用SDS7000A進行抖動分析
在抖動分解中SDS7000A支持繪制浴盆曲線。浴盆曲線的橫坐標是時間，范圍是一個周期；縱坐標是誤碼率。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系，浴盆的“盆底"即對應的誤碼率下眼睛的張開程度。
（四）阻抗測試
對于高速信號而言，阻抗匹配是一個非常值得關注的點，阻抗不匹配帶來的反射會在接收機處產生噪聲。因此，我們常使用矢量網絡分析儀來進行阻抗分析，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絡分析儀搭配TDR探頭進行測試。相較于示波器+信號發(fā)生器的TDR方案，使用矢量網絡分析儀能夠在較高的頻率下進行測試，并且信號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，對于信號質量的影響很大。如圖為相同的DUT發(fā)送PAM3差分信號，粉色跡線為兩根差分線良好匹配時接收到的信號，黃色為不全部匹配，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質量
我們在測試差分阻抗時，可以使用網絡分析儀的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探頭進行測試
（五）頻域測試
高速信號沿著PCB上的導線進行傳輸時，實質上是按照電磁波的方式在傳播，在整個傳輸路徑上能量存在于隨時間交替變化的電場和磁場中。在實際的應用中，電磁場能量并不限制在傳播導線內，有相當一部分的磁場能量存在于導線之外，當高速信號沿著某一根導線傳播時，其電場和磁場將通過某種方式耦合到其他線路內，當這種耦合的電磁場強度達到一定量時會產生無法預期的信號，這樣就導致了串擾和電磁輻射，嚴重時還會對原信號的傳輸質量產生影響。
我們可以使用矢量網絡分析儀進行信號鏈路的串擾測試，并且在測試開始之前設置極限值，從而完成自動化測試。當PCB走線過長，或者速率很高時，近端串擾是需要考慮的點。在測試差分信號時，可以使用四端口矢量網絡分析儀進行測試，也可以使用巴倫轉化成單端信號再進行測試。
后期的系統(tǒng)測試（如 EMC測試）中，很多產品都需要進行輻射測試。通過頻譜測試可以發(fā)現某些頻點的功率是否超標，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，進而找出超標的根源。
使用頻譜儀進行EMI測試
頻域測試的優(yōu)點包括：能夠直觀地展示信號在不同頻率上的分布情況；可以方便地測量和分析系統(tǒng)的頻率響應特性，如帶寬、增益平坦度等；對于一些復雜的信號或系統(tǒng)，頻域分析可能比時域分析更容易發(fā)現問題。在高速信號的測試中，往往會將時域測試和頻域測試相結合，從而更完整地了解和評估整個系統(tǒng)的性能。
三、高速信號測試儀器：
（1）示波器：配備有抖動和眼圖分析功能的示波器
（2）矢量網絡分析儀:配備有TDR功能的矢量網絡分析儀
（3）頻譜分析儀：作為EMC測試的接收機
（4）差分探頭：2.5GHz和5GHz有源差分探頭
（5）TDR探頭：搭配矢量網絡分析儀使用，擴展應用場景
（6）近場探頭：進行輻射測