原创 信号完整性分析与S参数测量专题报告”网络讲座会讲稿

胡为东  Derek.Hu@LeCroy.com

                                    美国力科公司上海代表处

视频入口:   http://seminar.eepw.com.cn/seminar/show/id/67     

1、各位网友大家好，我是来自美国力科公司上海代表处的应用工程师胡为东，很高兴能够和大家相聚在EEPW这个平台上交流有关信号完整性与S参数测试方面的话题，并为大家介绍力科专门针对信号完整性测试工程师打造的一款全新的信号完整性S参数测试仪，名字叫做SPARQ。在会议结束后，我和我力科的同事将在线为您解答您的问题，欢迎大家就您感兴趣的话题进行踊跃提问.下面我们就进入我们正式的话题。

2、本次研讨会的主要议题有如下几个方面，一、信号完整性的基本概念及信号完整性的主要体现；二、高速链路中影响信号完整性的主要因素；三、应对信号完整性的主要方法；四、基于采样示波器TDR/TDT的S参数测量原理；五、VNA的S参数测量原理；六、S参数测量仪器的校准；七、力科最新的信号完整性S参数分析仪SPARQ的主要特点介绍。下面我们就简要了解下什么是信号完整性以及信号完整性的主要体现。

3、随着信号速率的提高，信号完整性问题逐渐成为硬件设计工程师们一个非常热门的话题之一。在理想情况下，信号可以保持其本身固有的属性。如本页图所示，如果信号的传输通道和周围环境是理想的，那么一个标准的方波信号通过这个传输通道后不会发生任何变化。而如果传输通道和周围环境不是理想的，那么标准的方波信号经过这个传输通道后，信号的各项特征如幅度、上升时间、周期、过冲等均会发生一定的变化。

4、信号中常常将高于某一个逻辑电平值的部分叫做1电平，而低于某一个逻辑电平值的部分叫做0电平。如图中的Vih和Vil即为逻辑判决电平，信号正是通过这些0和1来传递特有的信息。当信号经过非理想的传输通道后，会发生上升沿变缓、幅度降低、过冲、振铃等现象，这些现象可能导致信号的高电平低于其逻辑判决电平或者低电平高于其逻辑判决电平，从而导致0、1信息的传输错误。

5、从实际应用角度来看，信号完整性问题主要表现为两类，一类是信号质量问题，如过冲、振铃等，另外一类是时序问题，或者叫建立时间和保持时间的问题，也就是数据信号相对于时钟信号的时序关系。

6、建立时间是指时钟的边沿到数据开始有效的时间，即在时钟沿到来之前，数据必须提前一段时间开始有效。保持时间是指时钟沿到数据开始失效的时间，即在时钟沿到来之后数据还必须保持有效一段时间。如图所示为某DDR2的建立时间和保持时间的含义。

7、当前的数字示波器中均设有专门的建立时间和保持时间的测量参数，如图所示为力科示波器里面集成的建立时间和保持时间测量参数，测量建立时间和保持时间时需要对相关的时钟和数据的边沿和电平进行相应的设置。

8、如果将受到干扰的信号的每一个0电平和1电平按照一定的规则叠加到一起显示，就形成了眼图。串扰、振铃等信号质量问题体现在眼图的高电平或者低电平处，即眼图的垂直方向上，而时序问题则显示在眼图的水平方向上的上升沿和下降沿的迹线宽度，也叫眼图的抖动。本页图所示为一个信号经过一段传输线后的眼图。可见，在Tx端眼图迹线很细，眼图张开得很大，而经过一段传输线后，眼图变得模糊，眼图迹线变粗，眼图张开度也明显变小。

9、那么在高速设计中，影响到信号完整性的主要因素有哪些呢？

10、高速系统中最为典型的系统是高速背板系统，因为在高速背板设计中，信号完整性问题显得尤为突出。高速背板上传输的信号速率高，通常都有几个Gbps以上，而且高速信号传输的距离很长，往往有几十个英寸的距离，再者，高速背板上还包含有接插件，过孔等可能会导致阻抗不连续的因素。所有这些组合到一起会给信号带来阻抗不连续、反射、振铃、信号衰减、抖动等信号完整性问题。另外，高速背板上通常有多对高速信号同时传输，还会引起信号间的串扰等问题。如本页图所示即为一个典型的高速背板系统。主要构成有三部分，即线卡、背板和另外一块线卡，线卡上的发送端芯片发送出高速信号，经过线卡上的PCB走线、接插件、过孔到达背板上的传输线，经过一段很长的背板传输线传输后再经过过孔、接插件后到达另外一块线卡上的走线，然后进入另外一块线卡上的接收端芯片。

11、总体来说，高速串行链路中影响信号完整性的主要因素有;接插件、过孔等引起的阻抗不连续问题;很长的高速背板走线引起的信号衰减过大以及码间干扰抖动;高速差分链路之间的串扰问题。

12、那么信号完整性工程师是怎样应付信号完整性问题的呢？

13、信号完整性工程师的思路一般有如下几个步骤：首先理解SI问题可能出现在哪里；然后为其设计制定指导方针；从而编写特定的设计规则；接着创建设计中各组成部分的模型并进行仿真以预测系统性能;然后再通过实际测量来验证系统性能；最后重新定义模型，回到第四步；其中仿真预测和测试验证是解决信号完整性最为重要的两个手段。

14、如果将过孔、接插件、传输线统称为信号的传输通道，那么一个最简单的系统可表示为发送端芯片-互连系统-接收端芯片这样一个系统。如果将前面提到的高速背板系统作一个等效的模型，如本页图所示，由于线卡上走线较短，所以我们把发送端和接收端线卡简化，分别以发送端Transmitter和接收端Receiver表示，通常发送端带有预加重，接收端带有均衡；背板上的互连系统主要用于传输信号，通常用S参数模型来等效。S参数模型可以通过电磁场、CAD等仿真软件仿真得到，也可以通过矢量网络分析仪或者基于TDR/TDT原理的采样示波器测量得到。如果将芯片模型、通道的S参数模型带入到相应的仿真软件中，由仿真软件提前预测整个系统的大致性能，这一过程即为信号完整性仿真。仿真中所用到的模型主要有芯片模型和S参数模型，芯片模型主要由芯片厂家提供，而S参数模型则主要由信号完整性工程师设法得到，S参数模型体现了整个系统传输通道的性能，包括过孔、接插件、传输线等的性能，是整个仿真中的核心，因此，信号完整性工程师能够准确的获得S参数就显得非常的重要。

15、信号完整性测试一方面用于验证之前仿真结果的准确性或者是验证S参数的准确性，另外一方面是验证最终的测试结果是否满足要求。

16、S参数贯穿于信号完整性仿真和信号完整性测试中。S参数是所有信号完整性问题的核心。通过S参数，用户可以仿真预测系统的各种时域响应，如阶跃响应、脉冲响应；通过S参数，用户还可以对系统进行虚拟探测、通道仿真等。

17、S参数表示的是系统内各个端口之间的信号关系，如反射、损耗、串扰等。以一个较为复杂的四端口S参数（可以设想为高速背板上差分传输线）为例，当从1端口发射一个信号，同时会从1端口反射回来一个信号，2端口、3端口、4端口都会接收到一个信号，1端口反射回来的信号与1端口发射出去的信号之比叫做S11，又成为反射系数；2端口接收到的信号与1端口发射出去的信号之比叫做S21，又称为插入损耗系数； 3端口接收到的信号与1端口发射出去的信号之比叫做S31，又称为近端串扰系数；4端口接收到的信号与1端口发射出去的信号之比叫做S41，又称为远端串扰系数；所有这些参数包含有幅度和相位，幅度曲线会随着发射信号的频率的变化而变化。

18、S参数通常以标准的Touchstone格式表示。如本页图所示即为一个S参数的标准格式。

19、S参数的测试方法主要有两种：

一是，VNA即矢量网络分析仪，主要用于微波领域，特点是有较好的精度、但是价格昂贵、校准很复杂、需要一定的微波专业知识才能应用自如、需要配置很多额外的软件才能实现对S参数的分析和验证、体积大比较重、移动或者操作不够方便、测得的S参数无法包含DC频点、测得的S参数与仿真软件容易出现兼容性问题等。另外一种是使用配有TDR模块的高性能采样示波器（如力科的WE100G）的测量，特点是使用时域的方法、不仅能够得到频域S参数结果、也能够观察时域结果、但是需要有多个TDR快沿脉冲模块、价格较贵、校准同样很复杂、体积大比较重、移动操作不够方便等。

从功能上来看，信号完整性工程师都能够使用这两款仪器来进行S参数的测量，但是从价格、性能、方便性等角度来看，这两种测试仪器显然不是最适合信号完整性工程师使用的仪器。

20、下面我们一起了解下基于使用TDR/TDT的采样示波器是如何实现S参数测量的。

21、采样示波器配置快沿脉冲模块可基于时域反射和时域传输的原理进行S参数的测量；时域反射(TDR,Time Domain Reflection)是测量时域的快沿脉冲信号通过被测件后的反射效果，可用于测量被测件的回波损耗（Return Loss）；时域传输(TDT,Time Domain Transmission)  是测量时域的快沿脉冲信号通过被测件(DUT,Device Under Test)后所受到的影响情况，可用于测量一个系统的插入损耗或者叫传输损耗Insertion (Transmission) Loss、近端串扰（Near-end Crosstalk）、远端串扰（Far-end Crosstalk）等;也可以测量系统对输入阶跃脉冲的上升时间的响应情况等。

将TDT响应转换为频域响应则有助于决定一个系统对信号质量比如说信号眼图的影响 – 这时的测量结果也就是S参数。最简单的TDT测量需要两个时域反射计(TDR,Time Domain Reflection)模块 – 一个用于产生阶跃脉冲信号，另外一个用于采样经过传输系统后的信号。

22、我们知道，一个快沿脉冲信号作FFT变换后可以分解为数个不同频率的正弦波的叠加，因此从频域意义上开看，一个快沿脉冲波可以看成多个不同频率的正弦波信号源，这些不同频率的信号源经过被测件后会产生不同的响应。使用采样示波器测试S参数的原理正基于此。由快沿脉冲模块输出快沿脉冲，由采样模块分别对被测系统的输入快沿脉冲和输出快沿脉冲进行采样，将得到的时域波形转换到频域后即可方便得到被测系统对于不同频率的正弦波所产生的响应，包括幅度响应和相位响应，这个响应结果就是S参数。本页图所示即为采样示波器测量S参数的大致原理示意图。

23、影响采样示波器测量S参数的测量精度主要有两个方面，一个是采样精度，一个是快沿脉冲的上升时间。目前采样示波器的TDR模块的最快上升时间大概为20ps左右；而采样示波器采集脉冲需要有触发信号，而触发信号会带来一定的抖动，从而导致测量精度的降低。力科示波器采用其专利CIS采样技术，不仅可以将其采样示波器的采样率提高到10M/S，而其它采样示波器则不超过200K/S，还可以有效降低示波器的RMS抖动，典型值为600fs，而其它品牌的采样示波器则超过1ps以上。

24、如图所示为采样示波器测量四端口S参数的连接示意图。需要四个TDR模块和一台采样示波器主机才可完成。

25、下面我们再简要了解下矢量网络分析仪VNA的S参数测量原理。

26、矢量网络分析仪是表征高频元器件性能最重要的测量工具之一。现代的矢量网络分析仪能够测量元件中的信号幅度、相位和群时延，在史密斯圆图上显示端口阻抗，并且利用时域功能显示从测试端口到阻抗失配或电路故障处的距离。为完成被测件DUT的传输/反射特性测试，网络分析仪包括：
1）激励信号源：提供被测件激励输入信号；
2）信号分离装置：含功分器和定向耦合器，分别提取被测件输入和反射信号；
3）接收机：对被测件的反射、传输和输入信号进行测试；
4）处理显示单元：对测试结果进行处理和显示。

27、矢量网络分析仪通过内置正弦波激励信号源输出不同频率的正弦波至被测件上，来观测被测件对正弦波的影响，依此原理测量得到S参数。使用正弦波作为信号源的缺点之一是信号源很难提供接近DC的信号，所以说矢量网络分析仪测得的S参数不能够包括DC直流频点，而DC直流频点也可能会是影响信号完整性的一个重要成分。

28、如本页图所示为矢量网络分析仪使用频域扫频的方法测量S参数的基本示意图。

29、本页图所示为使用VNA测量S参数和使用采样示波器测量S参数的相互转换关系。VNA是通过频域扫频的方法测量S参数，采样示波器是通过时域的方法测量S参数，两者原理上可以通过FFT变换和FFT逆变换进行相互转换。

30、所有的S参数测量仪在测量之前都需要进行仪器以及线缆、夹具等部件的误差校准。校准是S参数测量的一个非常重要的一个环节。校准的准确性直接影响到测试结果的准确性。目前常用的校准方法是OSLT校准方法。校准工作非常重要且也是一项非常繁琐的过程。

31、同样在使用VNA进行S参数的测量时，校准过程也是个繁琐且需要及其细心谨慎的一个过程，由于每次校准都需要很长的时间，因此能够做到每次测量前都进行校准几乎是难以想象的，不仅需要很强的耐心而且需要花费很长的时间。而且每一次连接校准件和断开校准件都需要及其仔细，任何的连接错误都可能会带来测试结果的完全错误。而且校准件也需要进行的完善的保管，以免丢失或者损坏，任何疏忽都会带来错误的测试结果。如本页图所示为使用VNA进行2端口的手动校准步骤，一共需要23步。

32、本页图所示为4端口手动校准所需的步骤。共需要58步。其中任何一步错误都可能导致不正确的测量结果，而且即使中间某一步出错，使用者也无法验证自己是否出错。即使最终得到了S参数的测量结果，也很难在频域里去检测所测得的S参数是否有错误，用户更加无法搞清楚是自己操作出错了还是本来的结果就应该是这样的。

33、VNA也提供了某种意义上的自动校准选件，这个选件是置于主机之外，通过USB接口与主机连接，因此用户仍需将主机与模块手动连接到一起。本页图所示的为Agilent的自动校准模块，没有四端口40GHZ带宽的模块，因此校准40GHZ的仪器，仍旧需要二端口40GHZ的校准模块配合手动方法进行校准。该模块价格昂贵，需要花费上万美金。

34、使用2端口自动校准模块进行4端口的校准需要18步，虽然少了些步骤，但是仍旧避免不了反复的连接和断开校准件的操作过程。

35、力科公司针对信号完整性工程师的实际应用需求，为广大信号完整性工程师量身打造出一款性价比极高的S参数测试仪，该款仪器叫SPARQ。

36、图示即为力科SPARQ信号完整性网络分析仪，形容它的特点可用一句话表述为，SPARQ是一键操作式、40GHz带宽,4端口信号完整性网络分析仪，是信号完整性工程师以经济型投入即可快速测量测量S参数和TDR的一种新型仪器。

37、SPARQ，即S Paremeters quick，快速的测量S参数。基于TDR/TDT的信号完整性S参数测试仪。四端口，DC-40 GHz 频率范围内的S参数测量;内置OSLT自动校准件，每次测量都可实现自动校准;一键式操作;价格只是VNA的几分之一;快速的校准和测量时间;小巧而轻便( 12” x 12” x 6”) and  (17 lbs).

38、目前Sparq有40GHZ，4端口、内置校准件的型号和40GHZ、2端口、内置校准件和手动校准等型号。力科将很快会推出更多端口如8端口、12端口的型号，特别适合信号完整性工程师进行多通道信号之间的串扰的测量。

39、SPARQ可进行多达16个测量结果同时显示，包括以不同单位显示的S参数的幅度和相位，以及时域测量结果（阶跃响应，脉冲响应，阻抗，反射系数等）。用户可以对任意一条结果曲线的细节进行放大观察以及将过去保存的S参数调进来和当前测得的S参数结果进行对比。如本页图所示为系统的差模和共模阶跃响应、高达40GHZ带宽的混合模式情况下的回波损耗、插入损耗、脉冲响应、冲击响应、上升时间响应等。

40、SPARQ具有方便的流水线式设置界面。一个对话框即可完成所有S参数测试所需要的主要设置，比如说频率、点数、端口数等。如果点击对话框下的”+”号还可以进行一些更加高级的设置，包括无源性、互操作性、因果性等增强功能以及去嵌选项；

提供Preview / Normal / Extra三种模式选择，preview模式是指快速预览模式，Normal模式是指通过一定的平均来达到更高精度的模式；Extra模式为更高精度的模式；

做好设置后，点击Go即可快速的完成校准和测试 。

41、SPARQ是基于时域TDR/TDT的原理测量S参数的，TDR快沿脉冲可达6ps，采用力科专利CIS采样技术，采集速度可达到每秒钟250个波形。如本页图所示即为4端口SPARQ的基本结构。它的基本工作原理是：模拟信号的基本流向为：TDR脉冲源发出6ps的快沿脉冲，快沿脉冲流过开关矩阵，进入被测件DUT，然后由采样器对测量到的TDR反射信号或者TDT传输信号进行采样。

SPARQ应用软件的主要作用有：

接收TDR/TDT波形进行硬件平均

执行wavelet降噪算法，Wavelet是运用在SPARQ中的一个力科专利算法，可有效提高SPARQ的测量精度

计算OLST校准的12项误差

去嵌内部或者外部的部件（线缆、适配器、夹具、开关矩阵等）

计算S参数

计算时域结果

开关矩阵的主要作用是：

切换TDR/TDT信号

连接OSLT校准件进行校准

带宽可到40GZH

FPGA：

保存ADC的转换结果

执行硬件平均

控制开关 矩阵的切换

以及其它的结果记录

42、如图所示为SPARQ的工作原理示意图。一个TDR脉冲源及采样模块及一个TDT采样模块，配合高带宽开关矩阵，使得SPARQ的成本大大降低，只有约为VNA的几分之一。

43、如图所示为SPARQ的测量系统框图，SPARQ的整个测量设置中除了脉冲源和采样器以外，还包含有内置开关矩阵和连接线缆、外置用于连接DUT的线缆、适配器还有夹具等，而我们的目的是要测量DUT，其它部分的影响需要予以消除，SPARQ可以根据这些部件的S参数对这些部件的影响进行去嵌，这是力科SPARQ中的又一个专利算法之一。而针对S参数进行去嵌一直是S参数测量中的一个挑战，VNA一直不能够提供一个固有的去嵌方法。

44、由于SPARQ内置校准件，在每次测量前用户可进行自动校准，完全不需要重复的连接、断开校准件。而且由于采用了力科CIS专利采样技术，校准和测量速度也非常之快，如本页表格所示，测量2端口，1000个点的S参数只需要1分36秒，而预览模式只需29秒。

45、仿真软件一般会要求 S参数满足无源性、互易性、因果性等物理特性。

所谓无源性即对于一个无源系统来说，反射信号的能量和传输信号的能量总和不应大于激励信号的能量；互异性即对于一个对称的端口来说，两个端口是可以互换的，S参数测量结果的Sij应该等于Sji；因果性是指对于一个因果系统来说，输出一定是晚于激励输入的。

由于实际测得的S参数往往会由于种种原因不能够完全满足这三种物理特性，然而很多信号完整性仿真软件则需要符合这三种条件的S参数，否则仿真时可能会产生不收敛现象，或者导致不正确的仿真结果。由于VNA是针对微波领域的测试的，因此其没有考虑到信号完整性领域的一些实际需求，测得的S参数往往可能不符合这三种特性；力科的SPARQ提供了针对这三种特性的增强功能，使得SPARQ测量得到的S参数可直接用于仿真软件。

46、DC直流干扰也有可能给信号完整性问题带来很大的影响，信号完整性工程师也需要予以关注，

 VNA测得的S参数不能够包含DC点的S参数（业界VNA能测量最低的频点也大概只有几KHZ）。

力科SPARQ则可以测量DC-40GHZ的满频段S参数。

此外，SPARQ能够测量出混合模式的S参数，而VNA则需要配置相应的软件才能进行混合模式的S参数测量。

47、SPARQ不仅可提供标准的单端和混合模式频域S参数测量结果还可提供时域测量结果，如阶跃响应, 冲激响应, 阻抗和阻抗系数结果等。时域结果显示便于观察，非常有利于debug测试中遇到的问题可能出在哪里。

48、SPARQ还可实时观察TDR/TDT的波形，通过观察时域波形可便于了解测试参考面的位置，以及调试和查找导致S参数问题的可能原因。

49、SPARQ还可方便的调入外界的S参数与当前测试结果进行对比。如图所示。

50、本页图所示为一个二端口系统的S参数测量结果。

51、总的来说，力科的SPARQ有如下优点：

1、一键式操作即可快速完成S参数的测量

2、实现S参数测量，价格只有VNA的一小部分

好的价格使得大部分信号完整性工程师都能够进行S参数的测试

3、内置OSLT 自动校准

不需要手动的连接和断开, 也不需要昂贵的ECAL自动校准件

用户不必再担心校准件丢失或者损坏

4、可输出完全符合仿真格式的S参数

具有passivity（无源性）, reciprocity（互操作性） 以及causality等（因果性）物理特性增强功能，S参数中包含了DC 点

5、包括频域和时域结果显示

不仅包含标准的单端和混合模式S参数测试结果

也提供阶跃响应, 脉冲响应, 阻抗和阻抗系数等时域测试结果

时域结果显示更加直观，有利于debug测试中遇到的问题，使您不再担心因为操作错误而产生的测量结果错误

  6、自动去嵌到DUT的测试参考平面

通过基于S参数的方法消除线缆, 适配器以及夹具对测量结果的影响

  7、固有的TDR/TDT能力

TDR/TDT 的工作模式有助于快速的核查和调试测量中的问题

  8、小巧, 轻便, 基于PC , 且使用非常方便

53、力科的SPARQ为您提供一个强大的频域和时域的信号完整性问题调试工具；操作极其方便，消除了VNA测量时所带来的诸多烦恼；且价格只有VNA和基于TDR方案的采样示波器的几分之一；

54、以上就是本次讨论会中我要给大家介绍的全部内容，下面就请大家就您感兴趣的话题进行在线提问。

55、再次谢谢各位的参与，如果大家在日常工作学习中遇到任何与信号完整性相关的问题，欢迎通过电话或者邮件与我联系，再次感谢，再见！