資料中心利用發射系統和接收系統之間的通道，可以準确有效地傳遞有價值的資訊。如果通道性能不佳，就可能會導緻信号完整性問題，并且影響所傳資料的正确解讀。是以，在開發通道裝置和互連産品時，確定高度的信号完整性非常關鍵。測試、識别和解決導緻裝置信号完整性問題的根源，就成了工程師面臨的巨大挑戰。本文介紹了一些仿真和測量建議，旨在幫助您設計出具有優異信号完整性的裝置。
中央處理器（CPU）可将資訊發送到發光二極管顯示器，它是一個典型的數字通信通道示例。該通道 — CPU 與顯示器之間的所有媒體 — 包括互連裝置，例如顯示卡、線纜和闆載視訊處理器。每台裝置以及它們在通道中的 連接配接都會幹擾 CPU 的資料傳輸。
信号完整性問題可能包括串擾、時延、振鈴和電磁幹擾。盡早解決信号完整性問題，可以讓工程師開發出可靠性更高的高性能的産品，也有助于降低成本。
通道仿真
工程師通常會用電子設計自動化軟體來建立電路仿真。設計自動化軟體則是采用逐位和統計仿真技術，用以提供快速而準确的通道仿真。算法模組化接口是設計軟體所使用的一種标準， 它可以輕松仿真從發射到接收的多千兆位串行鍊路。
除了仿真軟體以外，工程師還使用眼圖、混合模式 S 參數、時域反射測量之類的信号分析工具。在仿真從發射機到接收機的資料傳輸時，示波器上顯示的眼圖可以作為分析參數，幫助評估通道性能。
眼圖的寬度和高度是信号失真的關鍵名額。寬大的眼圖意味着資料傳輸良好。閉合的眼圖表示信号完整性大幅降低。如果發射機處的眼圖是開眼，接收機處是閉眼，下一步就需要确定通道中的哪些裝置或互連導緻了信号衰減。工程師可以直接檢視發射機輸出端的眼圖，通過每個互連追溯到接收機，從中确定導緻信号衰減的元件。
圖 1：閉合的眼圖和正常的眼圖的示例
确定信号衰減的根本原因
描述給定裝置的頻率特性時，工程師可以使用 S 參數作為标準。互連的 S 參數（無論是在時域還是在頻域中進行測量）代表了互連的特征模型。該參數涵蓋了信号從進入一個端口到離開另一個端口時的所有特性資訊。
為了确定信号衰減的根本原因，重要的是先要确定您對 S 參數的期望值。将期望值與測量值進行比較，有助于識别導緻信号完整性衰減的通道區域。
接下來，您需要更深入地研究被測裝置和裝置之間的連接配接，以便确定根本原因。對于差分通道，可以使用混合模式 S 參數進行分析。最常見的 S 參數是與電磁幹擾有關的差分回波損耗（SDD11）、差分插入損耗（SDD21）和差分至共模轉換（SCD21）。
在分析傳輸品質時，還需要重點考慮反射因素。每當出現瞬時阻抗變化時，信号就會被反射。反射會使傳回的原始信号出現延遲（如下圖 2 所示），并與原始信号結合而産生幹擾。
圖 2：反射對信号品質的影響
探索和設計信号完整性解決方案
初步找到信号衰減的根本原因之後，您就需要研究并确定最佳的解決方案。首先，要執行去除設計缺陷後的仿真測試，以驗證您确實找到了信号完整性衰減的根本原因。我們的建議是，與其将删除有問題的區域作為解決方案，不如試着在接收機上添加均衡，例如添加決策回報均衡
（DFE）、頻域中的連續時間線性均衡或時域中的發射機前饋均衡。同樣，您也可以通過仿真來 添加均衡，通過在示波器上實時觀察眼圖的變化，即可測試該均衡是否已經解決了信号完整性衰減的問題。
如圖 3 所示，另一個測試選項就是将眼圖模闆應用于添加均衡之前和之後。在添加均衡之前，圖像相交，表示眼圖閉合。在添加均衡之後，圖像不再相交，表示眼圖打開。
圖 3：使用 DFE 前後的眼圖模闆比較
信号完整性分析
當産品設計從仿真階段進展到硬體環節時，您需要使用矢量網絡分析儀（VNA）來測試高速數字 互連。首先，您需要對通道、實體層裝置、連接配接器、電纜、背闆或印刷電路闆的預期測量結果有所了解。在獲得實際測量結果之後，再将實際結果與這個預期結果進行比較。我們的目标是，通過軟體和硬體來建立可靠的信号完整性工作流程。硬體測量步驟包括儀器測量設定，擷取通道資料，以及分析通道性能。
對于矢量網絡分析儀（VNA） 等高動态範圍的儀器，您需要全面了解誤差校正，才能確定最準确的 S 參數測量。誤差校正包括校準（測量前誤差校正）和去嵌入（測量後誤差校正）。通過調整校準和去嵌入的參考點檢查通道中除了 DUT 之外的所有節點項目。以下内容介紹了校準和去嵌入誤差校正之間的差異以及二者的使用方法。
信号校準
預設情況下，當 矢量網絡分析儀（VNA） 開啟時，其參考平面位于前面闆。将電纜連接配接到被測裝置時，校準參考必須使用短路-開路-負載-直通法（SOLT）、直通反射線或直通反射比對參考結構。SOLT 是最常見的方法。
電纜可以直接連接配接到 DUT 或夾具。夾具安裝在電纜和 DUT 之間，有助于相容不同類型的連接配接器，例如 HDMI、顯示端口、串行 ATA 和 PCI Express。在本示例中，校準參考面包括電纜，而去嵌入參考面包括夾具。将校準誤差校正和去嵌入相結合時，必須包括通道中與 DUT 的所有互連。連接配接 DUT 後，您就可以進行測量，并執行測量後（去嵌入）誤差校正。
圖 4：使用參考面進行校準的測試設定
去嵌入
完成測量，在 DUT 的輸入和輸出端設定去嵌入參考點，以便移除測試夾具。移除測試夾具之後，也就去除了引入到系統中的損耗和反射，最終得到 DUT 的準确 S 參數測量和表征結果。
通過将兩層校正（校準和去嵌入）的 S 參數結果與預期結果進行比較，您可以進行模型調整以便比對實際測量值，然後繼續進行裝置開發。
圖 5：使用參考面進行去嵌入的測試設定
克服信号完整性問題
随着資料傳輸速度的提高，信号完整性對于通道裝置和互連産品越來越重要。為了確定您的裝置具有出色的信号完整性，首先您要确定好希望獲得的仿真結果，然後再将其與實際測量結果進行比較。
接下來，結合信号分析技術（例如在示波器上顯示的眼圖）和仿真軟體，即可找到導緻信号衰減的根本原因。下一步就是确定合适的解決方案，使用軟體和硬體來建立可靠的信号完整性工作流程。
必須使用高品質的 矢量網絡分析儀（VNA），設定校準參考面以執行 S 參數測量，設定去嵌入參考面以正确移除夾具。測量結果将會包括準确的 S 參數和可靠的 DUT 特性。盡早解決信号完整性問題，您就可以優化電路設計，保證優異的裝置性能和出色的價格優勢。