10G-32G数字系统信号完整性测量技术白皮书

总线标准一致性测量
云计算设备使用了各种工业标准总线，对这些工业标准总线进行规范一致性测量是确保系统工作稳定和可靠的关键点之一。表/图14分类列举了几类工业标准总线，及其规范要求的测试参数。

表/图14. 各类工业标准总线及其规范要求的测试参数

测试这些工业标准总线，完整和可靠的测试方案是非常重要的。完整的测试方案不仅仅保证测试准确度，还可以大量节省测试时间，提高工作效率。
工业标准总线完整的测试方案一般包括几个部分：测试夹具，探头和附件，自动测试软件，测试仪器。自动测试软件可以控制多种仪器，自动测试规范要求的参数，自动判断结果PASS还是FAIL，自动生成测试报告。图15是10Gbase-T测试的例子。
10Gbase-T的输出跌落/定时抖动/时钟频率要求用实时示波器测试；线性度/功率谱密度PSD/功率电平要求用频谱分析仪测试；回波损耗要求用网络分析仪测试。没有自动测试软件，测试是异常困难和耗时的工作。


图15. 10Gbase-T自动化测试系统

3mv(PP)电源纹波测量
10Gbps及以上的SerDes要求给其供电的PDN的电源纹波低于3mv(PP)，这个要求非常高。测试电源纹波的仪器是示波器，但是要测试出3mv(PP)的电源纹波，必须用低噪声，高精度的示波器。
90000A示波器已经在多个用户处做过测试而被证明是满足要求的示波器，市场上同类产品却不能满足要求，原因有二点：其一，90000A独特的封闭式模拟前端设计保证低噪声和高测试一致性；其二，90000A支持满足要求的带通滤波能力。
纹波要求的测试带宽是10KHz到20MHz，90000A内置低通和高通滤波器，组合产生带通滤波器，满足测试要求。
90000A示波器的模拟前端设计颇具特色，如图16所示。这个模拟前端是一个多模芯片，电子衰减器，放大器，触发器被裸封到法拉第屏蔽箱箱体里，与外界隔绝，保证了低噪声和高可靠。

图16. 90000A示波器的模拟前端多模芯片设计


50fs时钟抖动测量
超过10Gbps的SerDes对参考时钟的要求异常苛刻，要求参考时钟的抖动低于100fs，甚至达到50fs的数量级。传统使用示波器的测试方法已经不能满足要求，因为示波器自身的抖动测量本底已经超过100fs数量级。所以测量低于100fs抖动需要采用更高精度的仪器，信号源分析仪或相噪分析仪是一个非常好的选择。
E5052B信号源分析仪是测量晶振、PLL、时钟电路、相位噪声的常用仪器，内部采用独特的设计方法使得测量精度达到50fs数量级，原理框图如图17所示。信号源分析仪采用相参接收机的方法降低仪器的本底噪声。信号进入仪器内部，分为两路，每路先用超低相噪本振进行混频，然后通过低通滤波器和放大器后用高精度ADC进行数据采集，采集后由FPGA进行FFT和相关运算处理，以去除仪器混频器/放大器/ADC等所带来的噪声。因为噪声是随机分布的，而信号是固定的，所以相关运算处理可以去除噪声，而且相关运算次数越多，测试精度越高，不过测试速度也会相应的变慢。

图17. 信号源分析E5052B原理框图

E5052B信号源分析仪特别设计了一个软件E5001A SSA-J，专门应对高精度时钟抖动测量的要求，帮助使用者快速测量和分析抖动，而不需要自己动手把相噪曲线转换成时域抖动数值。

功率谱/功率电平/串扰等测量
对于象10Gbase-T这样的高速接口总线，功率谱/功率电平测试是非常重要的测试项目，而因为示波器自身接收灵敏度和动态范围的限制，必须用更高精度的仪器来进行这些频域参数的测量。另外，对一些串扰和辐射的测量和定位也需要高接收灵敏度和大动态范围的仪器。所以频谱分析仪在高速数字领域的应用变得越来越广泛，以PXA N9030A为例，表/图18列出了关键指标。从这些指标可以看出，比示波器高出几个数量级，可满足越来越多的高速数字系统，特别是20GHz以上数字系统的测量需要。

表/图18.PXA频谱分析仪关键指标和规范值

总结
设计一个高性能和高可靠的云计算设备是非常复杂的一件研发工作，特别是现在要求信号速率超过20GHz的时候。电子测量的重要性超越了先前电子系统，因为每个测量参数的要求都达到了异常苛刻的程度。为此，我们需要使用各种专业的电子测量仪器来进行仔细测量和分析，而不能象先前一样，只是用一台示波器完成几乎所有的工作。
于此，多种仪器派上了用场，高性能宽带示波器，高频矢量网络分析仪，低频网络阻抗分析仪，信号源相噪分析仪，高性能频谱分析仪等射频微波领域的仪器可以发挥性能优势，用于数字领域测量。对研发工程师的要求也逐步提高，不仅仅要掌握时域测量技术和示波器使用，还需要掌握频域测量技术和射频微波仪器的使用。