10G-32G数字系统信号完整性测量技术白皮书

前言
云计算等高速数字系统是后IT时代推动力量之一。
云计算和其他高速数字系统对数据带宽要求非常巨大，使得整个系统的单根信号速率突破10Gbps，20Gbps甚至达到28Gbps的超高数量级。超过10GHz的数字系统，对各种电路和信号的要求达到了异常苛刻的境界，电路和信号的测量成为必不可少的研发环节。表1-1列出了关键的测量内容和需要使用的相应的测试仪器。



表/图1. 10-20GHz以上数字系统关键测试内容和相应的测试仪器


下面按测试内容展开介绍具体测试要求，测量方法，以及专业仪器的核心指标或原理，以供产品经理，技术专家，或工程师参考。

10GHz以上高速背板测量
对于用于云计算的电信设备，数据通信设备，服务器矩阵等，高速背板是关键的互连部件。高速背板里面需要走几十对到几千对高速差分线，现在典型的信号速率是6.25Gbps，10.3125Gbps，随着云计算对数据带宽的要求，需要信号速率突破20Gbps，甚至达到28Gbps。高速背板设计成为云计算设备开发的重点和难点之一。图2是一个典型的高速背板样品，两边简单单板是用于高速背板性能测试的测试夹具。测试夹具与背板接触部分是高速连接器，通过特制的SMA/3.5mm/2.4mm等同轴连接器与仪器仪表连接。

图2. 典型的高速背板样品

衡量高速背板的主要性能参数如下表/图3所示。

表/图3. 高速背板典型性能参数

测量3.125Gbps以上的高速背板，主要通过高性能矢量网络分析仪来实现。N52XX是典型的高性能网络分析仪，表/图4列举了N5245A网络分析仪的性能参数。

表/图4. N5245A网络分析仪典型性能参数

对于高速背板测试来说，最难最复杂的是校准。但是，必须通过校准把测试电缆，测试夹具等的误差去掉，才能真正得出高速背板的性能参数，才能确定高速背板是否满足规范或设计要求，才能把测试得到的S参数作为模型以供仿真软件使用。为此，配合网络分析仪硬件使用的物理层测试系统PLTS软件，帮助我们解决了这个题。
PLTS软件不仅仅从时域，频域等多角度测试高速背板的性能参数，还能够建立自动测试流程，快速验证测试结果是否满足规范或设计要求，同时生成测试报告。
除此外，PLTS还支持各种校准技术，以进行精确和快速的校准，这是PLTS软件的关键价值之一。这些校准技术如图5所示。最简单的校准技术是端口延伸（Port Extension）和时域门（Time Domain Gating)，次之是归一化（Normalization）和参考面校准（Reference Plane Calibration），但是这些校准技术不适合测试高速背板。由于高速背板是非同轴的环境，适合的校准方法主要有三种：TRL，去嵌入，AFR（自动夹具移除）。采用去嵌入的方法需要提供夹具的S参数文件，这些S参数文件可通过仿真或测试获得，但是测试不容易处理，需要探针台，代价太高昂，所以一般通过仿真的方式提取测试夹具的S参数共去嵌入使用，这样做难以保证精度。
所以最常用的校准方法还是TRL和AFR。

图5. PLTS软件支持的校准技术

采用TRL校准技术的难点是设计校准件。为此，PLTS软件能够提供了TRL校准件设计指南。这个设计指南提供一步步详细的指引，帮助用户详细设计TRL校准夹具，并且当用户的TRL校准夹具制造后，验证制造的夹具是否满足要求。
TRL校准件采用的是松耦合的差分传输线，如果考虑紧耦合，需要移除测试夹具的两根差分线内的串扰，在以前是一件非常困难的事情。PLTS软件中的差分串扰校准指南能帮助用户一步步移除两根线间耦合所导致的测量误差。
PLTS软件最大的校准技术突破是创新了一种自动夹具移除AFR校准方法，不仅仅校准件设计简单，校准处理方便，而且校准精度非常高。只要把两个夹具对接一下，即可把夹具的影响去除。如果两端的测试夹具对称，对接校准件设计比较简单，只有把两根线连接一起即可；如果两端的测试夹具不对称，需要在对接校准件上设计两对差分走线，每对是每个测试夹具差分走线长度的两倍即可。

图6. 自动夹具移除AFR校准的操作界面


供电网络PDN测量
对于云计算或其他高速数字电路和系统，信号完整性仿真、设计和测试是关键点之一；电源完整性仿真、设计和测试是另一个关键点，而且相比信号完整性来说，更复杂，难度更大。快速而准确的仿真电源完整性至今仍然是一个待突破的课题。
电源完整性分析对象主要是供电网络PDN（Power Distribution Network）。以笔记本电脑为例，AC到DC电源适配器供给计算机主板的是一个约16V的直流电源，主板上的电源分配网络要把这个16V直流电源变成各种电压的直流电源（如：+-5V, +1.5V, +1.8V,+1.2V等等），给CPU供电，给各个芯片供电。CPU和IC用电量很大，而且是动态耗电的，瞬时电流可能很大，也可能很小，但是电压必须平稳（即纹波和噪声必须较小），以保持CPU和IC的正常工作。这都对PDN提出了苛刻的要求。
要衡量PDN性能，只用