关于S矢网在信号完整性测试中的应用和分析

1. 引言

高速数字信号在通过传输路径后，会由于路径的自身特性对信号造成失真等影响，信号完整性是指信号在传输路径上的质量。数字电路刚出现时，由于传输信号速率很低，在电路分析时采用低频和直流的方法就可以，但随着数字信号频率越来越高，电路的高频特性越来越显现出来，需要借助更精确的手段加以分析评估。

信号完整性的测试手段种类繁多，有频域和时域法，还有一些综合性的手段，比如误码率测试，实验室通常会配备示波器和矢量网络分析仪等仪器进行分析测试。罗德与施瓦茨公司（R&S）矢量网络分析仪ZNB和ZNBT相比传统的信号完整性测试仪器，同时具备了时域和频域测量功能，基于矢网丰富的误差校准和高动态范围，为信号完整性测试提供了强大和全面的分析功能。

2. 技术背景及产品简介

对于设计高速器件、无线组件来说，分析其连接器、PCB板材和传输线的时域响应和信号完整性至关重要。在信号完整性分析中，示波器的眼图功能已经被广泛应用，通过对被测件眼图的描绘可以得出许多重要的信息，为了使用矢网得到眼图，首先测量被测件的频域复S参数，通过ZNB/T-K2时域分析选件，对频域参数进行逆傅里叶变换，得到时域响应。ZNB/T-K20增强时域分析选件根据定义的比特字符串对时域响应进行卷积后得到眼图结果。

许多标准接口，比如E1/T1等，为了避免有太多能量反射，对阻抗通常都要求。需要进行时频域阻抗或回波测试。对于长的PCB走线，或者电缆等，在传输距离比较远，或者传输信号速率非常高的情况下，还需对线损、线间串扰等进行评估。而ZNB/T也可对单端或差分线对进行阻抗与传输特性进行分析。

图1 ZNB/T选件功能介绍

3. 矢网的信号完整性测试应用

3.1 眼图测试

眼图是比特流数据在时域上累积而显示的图形，包含了高低点平和这两种状态之间所有转换信息，眼图的“眼睛”张开的大小反映着码间串扰的强弱。“眼睛”张的越大，且眼图越端正，表示码间串扰越小，传输线传输性能越好；反之表示码间串扰越大。

图2 眼图式样

ZNB/T上设置功能如下图3所示，需要根据被测件实际传输速率和电平参数改变设置。

图3 眼图测量设置界面

1. 选择仪器内置的比特流形式，如PRBS等，同时可根据需要设置测试比特流的循环长度。

2. 根据比特率确定单个比特的长度，以10 Mbit/s为例，比特符号长度为100ns，最终网分界面显示时间刻度为-100ns~100ns，该数值与被测件实际工作频率相符合，在大多数情况下，矢网的最高测量频率应当大于1.5倍的比特速率。

3. 也可根据用户实际业务需求载入特定样式的比特流数据。

4. 根据被测件传输电平设定“0”和“1”的电平。

5. 模拟比特串的上升时间，也可定义上升沿对应的电平百分比。

通过如上设置，即可实现眼图的结果显示，同时可得到关于眼图的所有数值统计结果，并支持数据导出后处理。

图4 眼图测量结果统计

针对特定的协议标准标准，如USB3.1，SATA3，HDMI1.4，PCIe3等，需根据协议规定的眼图模板进行测试，如下图5所示，被测曲线“眼睛”中央及上下方区域即为模板，当被测件结果触碰模板区域时，即判定被测件测试失败。

图5 眼图测量模板

如图6所示，在实际的高速串行链路中，为了对传输信道的失真进行抵消，往往会采用发射端预加重（Emphasis）和接收端均衡（Equalize）的方式，ZNB/T K20选件提供了多种信号发射端预处理或恶化的仿真设置，除预加重外，还提供了抖动（Jitter）和噪声（Noise）的添加，使用者可根据需求模拟实际信道传输情况，并为改善测量结果提供仿真评估。

图6 高速串行链路示意图及ZNB/T K20内置高级设置

K20选件中的均衡器可任意设置，满足各种实际高速数据总线的参数要求，最大化的灵活适应实际测试场景。

图7 ZNB/T K20内置均衡器设置

3.2 TDR测试

在一般情况下，矢网测量的是被测器件的射频性能随频率的变化。当网络分析仪具有时域功能时，测量结果以时间作为水平显示轴。随着矢网功能的日趋强大，现代网络分析仪在极限情况下已经可以测试5km长的电缆，位置精度也可以达到mm 级，在很多场合下已经替代了传统时域TDR 进行，如脉冲回波损耗、时域阻抗测量。

图8 不同阻抗在时域下测量结果

TDR测试目前主要使用于PCB(印制电路板)信号线、以及器件特征阻抗的测试，并显示出每个阻抗不连续点的位置和特性比。同时如单端信号线，差分信号线，连接器等。

3.3 传输线频域测试

在使用矢网验证PCB板上的走线与布板时，往往仅需对感兴趣区域进行测试，需去除探针、焊盘、过孔、管脚带来的影响。使用ZNB/T四端口或以上矢网可以将两路物理端口合并为一路差分逻辑端口，进行差分传输线测试，通过EMStar Smart Fixture Deembedding (SFD) 或AtaiTec In-Situ Deembedding (ISD)这两种校准方式进行校准、探针或夹具去嵌入。

图9 PCB片上测量

ZNB/T矢网可内置校准界面，在保证测量精度的情况下，简化传统的校准步骤，提高了PCB片上测量的易用性。结果同时显示在界面中，包含差分S参数，差共模抑制，阻抗等。

图10 ZNB/T内置PCB测量校准界面

4. 小结

R&S公司ZNB/T矢量网络分析仪提供了信号完整性测试的新思路，时频域同时显示大大简化了测试系统搭建的复杂度，降低了测试成本，差分端口设置和灵活的校准去嵌入方法保证了各种测试场景下的适用性。

罗德与施瓦茨公司自成立至今的八十多年间，一直致力于为无线电通信提供高性能的测试与测量仪器。