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关键字：PCIExpress 串扰 EMI 信号完整性
提示:
. 向更高速和更高信号频率的每次新进步，都使总线对信号失真和异常更加敏感，这些异常可能破坏吞吐量并造成系统堵塞。“并行化的串行”标准对信号完整性问题影响甚大。众所周知，极高速电路很难检测。
. 一种方法是用光背板来改善信号自身路径；另一种改进信号完整性的方法是用均衡方法来修饰信号，尽量减少串扰。
. 很多设计人员对信号路径采用更好的设计实践经验，控制串扰和EMI。
. 大多数致力于信号完整性问题的工程师都同意，对于高速系统设计而言，仿真正在成为必需。
电子设计趋势推升了设计的复杂度与速度，如多个高速总线的使用，因此带来了新的信号完整性挑战。有鉴于此，EDN邀请了一些做信号完整性工作的工程师召开了一次虚拟座谈会，探讨当前的危害情况，评估现有测试设备能在多大程度上符合要求，并确定如何从短期和长期两方面改善信号完整性问题。当然，很多东西都会影响到信号完整性(参考文献1)。在本次讨论中，我们主要关注串扰与EMI(见附文：关注DESIGNCON上的信号完整性)。
问题何在？
很多有经验的人都注意到了多个高速总线对信号完整性的影响，以及如何避免相关的问题。Tektronix公司高级技术与营销经理Chris Loberg与AssetInterTech公司设计验证与测试副总裁Tim Caffee都认为，高速总线上工作裕度的缩减是这些挑战的来源。
Loberg认为：“设计趋势是更快的串行速度，超过10Gbit/s，没有新的高性价比架构能够改善信号路径的适应性问题，如对EMI和串扰。因此，必须做像均衡这样的信号调节，以尽量减少EMI与串扰的影响，让接收器能够精准地确定串行总线的逻辑变换。”
Loberg注意到，1或0变换之间的间隔时间正在不断缩小，因此，在传统上用于变换评估的眼图中，EMI与串扰正在使眼“闭合”。工程师们不再能够有效地评估信号完整性问题，因为对交越点与时序完整性的评估已变得更加困难。
Caffee指出，高速总线每发展一代，工作裕度都随信号频率的增加而缩减，产生了诸如抖动、符号间干扰(ISI )以及串扰等影响，对高速SerDes与存储器通道的信号完整性是一种浩劫。速度和信号频率每提高一步，总线都会对失真与异常更为敏感，可能导致流量的中断或系统堵塞。
图1中的眼图展示了这一点，图中显示了不断增加的信号频率对三代假想高速总线的作用及结果，即缩小了总线上的工作裕度。随着频率的增加，即使最轻微的失真也可能损及信号的吞吐量。
Teledyne LeCroy公司信号完整性产品经理Alan Blankman相信，更高的码率(>25 Gbit/s)以及“并行化串联”标准(如PCIExpress、40/100Gbase-R和InfiniBand)都是引起现在信号完整性问题的原因。他说：“更高码率要求较高频率成分有更快的边沿，这样，在连接器、过孔、封装等阻抗失配处就会产生更大的反射，会有更高的损耗以及更多的串扰与EMI产生，因为增加了与邻近走线的耦合。”
安捷伦技术公司信号完整性计划经理Shamree Howard补充说，较高的速度还给精确的数据捕捉带来了麻烦，因为它需要精准的触发。她认为，抖动的测量是确定高速数据链接特性的关键，并指出：“抖动的测量是很复杂( 即使给用户提供了某种一键界面)，它要考虑时钟恢复及锁相环知识、抖动分解技术及其假设、串扰及其影响，以及不同的波形统计分析方法等”(参考文献2)。Howard补充说，安捷伦的U4154A4-Gbit/s AXIe逻辑分析仪可以对小至100ps×100mV的眼开度做出可靠的测量(图2)。
SignalConsulting公司的Howard Johnson也同意这点，大家都知道极高速电路很难检测。Johnson说：“即使有这么一种可以完成任务的探头，我们通常也没办法把它放到待测电路中的某个点上。”他建议采用协同仿真方法，或同时开发物理电路及其软件仿真的方法。
Ransom ’s Notes 公司的Ransom Stephens注意到，尽管领先制造商拥有新的示波技术，但现在仍然没有能明确地识别串扰的自动方法。最新测试产品提供了以误码率(BER)评估串扰作用的方法，但它们全都是采用排除法。
Stephens承认：“避免串扰的原理虽简单，但实际上有时是不可能的。”当一个干扰信号做逻辑变换时，震荡的辐射就造成了串扰，因此增加上升/下降时间能减少串扰。由于串扰就是一种干扰，因此增加走线间距也有很好效果。
Stephens建议：“不过我觉得，细心的差分设计是最佳措施。如果你真能让差分偏移降下来，让两根走线几乎完全相互依靠，那么差分信令就有好的机会来抑制串扰。”
如何改善SI？
Tektronix公司的Loberg认为，我们有几个方法。首先就是改变和增强信号本身的路径。一个办法是采用光学背板。这个办法正在逐步实现，但并非主流(想想Thunderbolt)。另一个改善信号完整性的方法是用均衡方法去修改信号，来尽量减少串扰。例如，可以对芯片做硬编码，或编译FPGA的代码，实现信号均衡。另外，很多设计者通过对信号路径的更好设计，来控制串扰和EMI 。
Asset InterTech公司的Caffee建议工程师在系统生命周期的每个主要阶段(从设计到现场运行)，都要对总线的信号完整性做验证，不过他也承认这是一个具有挑战性的工作，因此不是一个普遍的方案。如果在原型板制造期间发现问题，则可能造成设计的变化；如果是在生产期间发现问题，则可能改变生产工艺。如果是在现场发现问题，则要对性能不良的系统、设计做查错，下一代产品应做设计变更，生产工艺变更，以减少退货和保修问题。
Anritsu公司业务发展经理HiroshiGoto建议将预加重作为一种有效的传输技术，以保持眼图的开度。当传输速度增加到20Gbit/s甚至更高时，Goto建议采用一种3阶或4阶加重信号，以增加被加重的位数。
但是，要对每一阶检查与设定加重率的组合，这也是一个复杂的工作，在没有定量指导情况下，难以找到理想的加重信号。
Goto称，Anritsu开发了MP1825B四阶加重与传输分析软件，与MP1800A信号质量分析仪B E R 测试套件(BERTS)一起使用，能根据待测设备(DUT)的“反相特性而找到理想的加重设置”(图3) 。“这提升了眼的高度，维持了眼的开度，从而能在最短的时间内做出更好的定量信号完整性分析。
仿真与验证
大多数人都同意仿真正在成为高速系统设计的必需。安捷伦公司的Howard称该公司的先进设计系统(ADS)是用于高速数字应用的领先EDA软件。
Teledyne LeCroy 公司的Blankman补充说，要检测和减少串扰问题，设计人员必须能通过仿真方法，预测到近端和远端串扰，并用测量来验证仿真中采用的模型(图4)。在验证串扰模型时，设计人员要测量多个差分通道的S参数(对干扰源-受扰者模型是8个端口，对干扰源-受扰者-干扰源模型是12个端口，或者甚至有更多的端口数)。
串扰的测量需要用实时示波器做垂直噪声测量，这种设备可以从串行数据信号中提取出串扰。这些测量应评估作为BER函数的眼图闭合度，如抖动测量那样。当然抖动测量也很重要。如同时测量抖动和噪声，则获得的串扰图像要比单独测量抖动更加复杂。
工具箱
测试设备供应商正在努力发展自己的工具，以确定抖动的特性，改善信号完整性分析，因此对信号完整性工程师而言，最好的工具箱可能尚未出现。Signal Consulting的Joh nson预计，“下一个趋势会是发展一种专用设备与测试软件的混合体，目的是确定一个电源系统的特性，并为电源系统注入特定的测试电流波形。”Ransom’sNotes的Stephens建议我们密切关注更多的串扰均衡技术。
那么，我们现在有什么？
示波器。这里是大带宽示波器真正展示自己价值的地方。Teledyne LeCroy的Blankman说，非归零(NRZ)串行数据样式的上升时间不到30ps。他指出，测试PCIe Gen3系统的接收器需要一台13GHz带宽的示波器，而发射器测试则需要20GHz的示波器。
Blankman 称：“新兴的多路设计甚至需要更多的通道数和带宽，如InfiniBank和40/100GBase-R。这些标准的码率达25Gbit/s和28Gbit/s。一般要求示波器频率为基频的四或五倍，即50 GHz~ 65 GHz 。由于InfiniBan k与40/100GBase-R是多路的，因此一次要有8、12甚至更多的通道，才能完全确定SI问题的特性。”Blankman称TeledyneLeCroy的LabMaster 10 Zi带宽可达65GHz，并有一个ChannelSync架构，可使最多80个通道同时在一台仪器上工作。
网络分析仪。对于确定多路系统的串扰特性，以及揭示DUT的频率特性，网络分析仪很重要。Anritsu公司的Goto指出，为了获得最佳S参数数据，矢量网络分析仪应扩展其频率的覆盖范围。他推荐Anritsu的VectorStarVNA，其频率区间为70kHz~125GHz。
他警告说：“虽然频率上限最受人关注，但一定要记住，在信号完整性应用中，对最低可能频率的精准测量才是关键。通常情况下，测量尽可能靠近直流可以改善模型精度，因为它提供了有助于建立一个高精度眼图的精密数据。”
Blankman指出，大端口数的网络分析仪可能很昂贵。他说TeledyneLeCroy的SPARQ系列网络分析仪(图4)用于信号完整性测量，提供了一种传统VNA的较低成本选择。(SPARQ意为“快速S参数”。
软件。由于需要更多仿真，供应商们正在开发与自己硬件相配合的软件工具。Loberg指出了在Tektronix仪器上的串行数据链路分析(SDLA)(图5)，它可以帮助工程师们在EDA环境(如Cadence Design Systems或Mentor Graphics)下做均衡仿真。Loberg解释说：“软件模型可以装入到一台示波器中，将模型属性转换为S参数；然后，我们可以将其作用放到示波器中的一个滤波器里。示波器就可以对均衡器的行为建立模型，成为被测量的信号，看我们是否可以打开眼图。这种方案能够将均衡的效果合并到示波器中来分析性能。”
TeledyneLeCroy 还在其SDAIII - Complete LinQ产品中提供了基于示波器的串行数据分析软件。Blankman指出，关键是用基于示波器的软件做眼图、抖动与垂直噪声分析。他说，用户也需要用于分解或模拟各个设备与互连，以及适用于发射器和接收器均衡的工具包。Blankman补充说：“分析工具包还应提供广泛的图表类型，能够在频率和时间上显示出抖动与噪声的变化与分布，从而了解噪声与抖动的根源。”
BERT。Howard说：“很多标准都规定要做接收器测试，而大多数人并不知道从何着手。”她补充说，系统校准可能是测试中最难的部分，这种校准可确保测量的准确性。
Howard透露，与工程师一起工作时，她发现对PCIe 3.0重要信号的正确校准极具挑战性。她说，安捷伦的N4903B J-BERT高性能串行BERT适合于Rx符合性测试。该仪器可以确定一个接收器的抖动容限特性，目标是验证今天最常见串行总线标准的合规性，包括PCIe、SATA/SAS、DisplayPort以及USB。
Goto的建议是，当选择BERT时，工程师应选择那些具有最低固有抖动的型号。例如，Anritsu的MP1800A固有时钟抖动<350fs RMS。BERT还应能够针对各种生成的抖动类型，做出可重复和稳定的抖动容限测试，如正弦、随机，以及有界不相关抖动，以及可以测量高达32.1Gbit/s的扩频时钟。
嵌入式测试。检探查测试焊片的年代几近尾声，尤其是对高速总线，因为这样会损及信号。那么我们还有什么办法？现在人们对嵌入式测试仪器的兴趣越来越浓，可测试性设计运动能够通过非侵入性的嵌入式仪器，提供接收方能看到的信号数据。Caffee说：“换句话说，是用软接入来提供信号完整性工程师所需要的硬数据。”
嵌入式仪器已在芯片级特性分析、验证与测试中使用了数年时间。不过，现在嵌入式仪器正被用于监控和报告接收器获得的数据。Caffee指出，嵌入式仪器的访问均采用标准技术，如IEEE1149.1边界扫描(JTAG)测试访问端口。
Caffee说：“JTAG提供了对外部软件平台的访问，这种平台可以管理系统中的嵌入式仪器，对获得的测试测量数据做编译和分析(图6)。”
随着系统速度与复杂性的持续升高，未来的方向是寻求先进测量工具与定制仿真模型的技术的结合。不过归根结底，改善信号完整性的最小阻力路径还是一种业界的期待，即期望出现巧妙的旧式工程创新。
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