10G-32G数字系统信号完整性测量技术白皮书

示波器测试CPU和IC管脚的电源纹波和噪声是不够的，而且出现问题后也没有办法定位问题。要精确衡量PDN的性能，需要测试PDN的输出阻抗（随频率变化的阻抗）和PDN的传输阻抗（也是随频率变化的阻抗），就像表征一个单端口网络或双端口网络一样去表征PDN。这也要用到网络分析仪工具。
用网络分析仪去测试PDN，有两大挑战：
1. PDN的输出阻抗和传输阻抗是豪欧级的，想准确测试，是一件比较困难的事情。
2. PDN工作时是带直流电压的，即带偏置的，需要网络分析仪有偏置测量的功能。
用网络分析仪测试毫欧级的输出阻抗，不能简单的用一端口测试方法，因为阻抗太小，反射太大。这时比较好的方法是用双端口测试方法，如图7所示，测试时用S21代替S11。

图7. 用双端口方法测试PDN输出阻抗


假设探测试电缆电感约为0，Z(DUT)远小于Zo（VNA端口阻抗），PDN输出阻抗的计算公式如下：
Z(DUT)=Z11=S21*25(ohm)

用网络分析仪测试毫欧级的输出阻抗，也是用双端口测试方法，如图8所示。


图8. 用双端口方法测试PDN的传输阻抗
假设探测试电缆电感约为0，Z11，Z21，Z22远小于Zo，PDN传输阻抗的计算公式如下：
Z21=Z12=S21*25(ohm)

针对这种的特殊测量要求，安捷伦的矢量网络分析仪E5061B推出了一个特殊的选件3L5帮助测试PDN。 E5061B-3L5 可以在从5 Hz 至 3 GHz 的率范围内提供常用的网络测量和分析功能，功能全面的低频网络测量能力 (包括内置的 1 MΩ 输入) 都被完美地集成到这个高性能的射频网络分析仪之中。
E5061B-3L5的增益相位测试端口可以在从 5 Hz 到 30 MHz 的低频测量范围内直接把测试信号接入测量接收机。内置的 1 MΩ输入使工程师能够使用测量探头轻松地对所测电路内的放大器和直流 - 直流转换器的控制环路的参数进行测量。接收机端口可以精确地测量放大器的 CMRR/PSRR 和 PDN 毫欧量级的输出阻抗，并且消除了测量中接地环路引入的测量误差。
E5061B-3L5的内置的直流偏置源可以从仪表内部把最高可达 ±40 Vdc 的直流偏置电压叠加到从端口 1 或 LF OUT端口上输出的交流信号上。此外，如果在仪表的 S 参数测试端口上对被测器件进行测量时，它还可以从 LF OUT端口输出直流电压。

10GHz以上SerDes信号品质测量
SerDes是10GHz以上数字系统中的关键器件，一般被集成在FPGA或其他芯片内部。它的输出信号的信号品质关系到信号传输的距离，互连系统可靠性等多个方面。虽然现在芯片内部集成了内部误码仪iBERT等眼图扫描工具，SerDes的信号品质测量仍然是必测项目。表/图9列出了SerDes信号品质测试内容和典型要求。

表/图9. SerDes 典型信号品质参数要求

抖动定义为信号的某特定时刻相对于其理想时间位置上的短期偏离。高速SerDes的信号品质参数对抖动要求非常高，不仅仅要关注总体抖动，还需要关注抖动成分。抖动成分关系图示如图10所示。


图10. 抖动成分关系图

随机抖动RJ是不能预测的定时噪声，因为它没有可以识别的模式。典型的随机噪声实例是在无线电接收机调谐到没有活动的载频时听到的声音。尽管在理论上随机过程具有任意概率分布，但我们假设随机抖动呈现高斯分布，以建立抖动模型。这种假设的原因之一是，在许多电路中，随机噪声的主要来源是热噪声(也称为 Johnson 噪声或散粒噪声)，而热噪声呈现高斯分布。另一个比较基础的原因是，根据中心极限定理，不管各个噪声源采用什么分布，许多不相关的噪声源的合成效应该接近高斯分布。高斯分布也称为正态分布，但它的一个最重要的特点是：对高斯变量，它可以达到的峰值是无穷大，所以用RMS值表征随机抖动。
确定抖动DJ是可以重复的、可以预测的定时抖动。正因如此，这个抖动的峰到峰值具有上下限，在数量相对较少的观察基础上，通常可以以高置信度观察或预测其边界。DDJ和PJ根据抖动特点和根本成因进一步细分了这类抖动。影响确定性抖动的关键因素是互连通道的损耗，损耗产生码间干扰抖动ISI。对于损耗可以用预加重和均衡的办法处理。
总体抖动TJ是随机抖动RJ和确定性抖动DJ的卷积关系。对于高速SerDes和高速数字系统，抖动都是第一重要参数，有时眼图不满足要求，系统仍然正常，但是抖动不满足要求，一般都会出问题。
数字信号的眼图包含丰富的信息，体现数字信号的整体特征，能够很好的评估数字信号的整体品质。对于高速SerDes信号，时钟是内嵌的，这时候需要仪器从串行信号中恢复时钟，以恢复的时钟为基准来形成眼图，如图11所示。现代的宽带示波器一般提供多种时钟恢复方式供选择，测试高速SerDes信号最常用的是Golden PLL方法，要根据具体规范的CDR响应曲线选择一级或二级锁相环，仔细设置时钟恢复参数。


图11. 高速SerDes信号眼图的形成
高速SerDes信号由发射端通过传输介质或通道（如：背板、电缆、电路板）向接收端发送。当信号速率增加时，信号所经过的通道或传输介质产生衰减，使信号在接收端出现失真，从而导致眼图部分或完全闭合，使接收端无法正确提取或恢复时钟/数据。为了使眼图重新张开，必须正确提取或恢复时钟和数据，均衡技术就是为解决这一问题而存在的。
在图12中可以看到，一个张开、清晰的眼图由发射端出发，经过通道进行传送时，通道带来的随机噪声、串扰和符码间干扰（ISI）使信号发生失真，导致眼图闭合。随后，使用均衡技术校正补偿ISI带来的误差，使眼图得以部分张开。

图12. 高速串行信号传输中的均衡

对于20GHz以上的高速SerDes信号品质测量，必须运用均衡技术，一般采用CTLE均衡，在均衡之后再进行眼图和波形参数的测量。90000Q和86100D宽带示波器内置多种均衡算法，可根据需要设置均衡参数或自动设置均衡参数，满足各种信号的测量要求。
90000Q和86100D示波器是测试高速SerDes信号品质的工具，它们的性能指标列举如表/图13所示。

表/图13. 90000Q和86100D典型性能指标

工业标准