信號(hào)完整性設(shè) 計(jì)在產(chǎn)品開發(fā)中越來越受到重視，而信號(hào)完整性的測試手段種類繁多,，有頻域,，也有時(shí)域的，還有一些綜合性的手段,，比如誤碼測試,。這些手段并非任何情況下都適 合使用，都存在這樣那樣的局限性,，合適選用,，可以做到事半功倍，避免走彎路,。本文對各種測試手段進(jìn)行介紹,，并結(jié)合實(shí)際硬件開發(fā)活動(dòng)說明如何選用，最后給出 了一個(gè)測試實(shí)例,。

        信號(hào)完整性的測試手段很多,，涉及的儀器也很多,，因此熟悉各種測試手段的特點(diǎn),，以及根據(jù)測試對象的特性和要求，選用適當(dāng)?shù)臏y試手段,，對于選擇方案,、驗(yàn)證效果、解決問題等硬件開發(fā)活動(dòng),，都能夠大大提高效率,，起到事半功倍的作用,。

信號(hào)完整性的測試手段

        信號(hào)完整性的測試手段主要可以分為三大類,，如表1所示,。表中列出了大部分信號(hào)完整性測試手段，這些手段既有優(yōu)點(diǎn),，但是也存在局限性,，實(shí)際上不可能全部都使用，下面對這些手段進(jìn)行一些說明,。

1. 波形測試

        波 形測試是信號(hào)完整性測試中最常用的手段,，一般是使用示波器進(jìn)行，主要測試波形幅度,、邊沿和毛刺等,，通過測試波形的參數(shù)，可以看出幅度,、邊沿時(shí)間等是否滿足 器件接口電平的要求,，有沒有存在信號(hào)毛刺等。由于示波器是極為通用的儀器,，幾乎所有的硬件工程師都會(huì)使用,，但并不表示大家都使用得好。波形測試也要遵循一 些要求,，才能夠得到準(zhǔn)確的信號(hào),。

        首先是要求主機(jī)和探頭一起組成的帶寬要足夠?；旧蠝y試系統(tǒng)的帶寬是測試信號(hào)帶寬的3倍以上就可以了,。實(shí)際使用中，有一些工程師隨便找一些探頭就去測試,，甚至是A公司的探頭插到B公司的示波器去,，這種測試很難得到準(zhǔn)確的結(jié)果。

        其次要注重細(xì)節(jié),。比如測試點(diǎn)通常選擇放在接收器件的管腳,，如果條件限制放不到上面去的，比如BGA封裝的器件,，可以放到最靠近管腳的PCB走線上或者過孔上面,。距離接收器件管腳過遠(yuǎn)，因?yàn)樾盘?hào)反射,，可能會(huì)導(dǎo)致測試結(jié)果和實(shí)際信號(hào)差異比較大,；探頭的地線盡量選擇短地線等。

        最后,，需要注意一下匹配,。這個(gè)主要是針對使用同軸電纜去測試的情況，同軸直接接到示波器上去,，負(fù)載通常是50歐姆,，并且是直流耦合，而對于某些電路,，需要直流偏置,，直接將測試系統(tǒng)接入時(shí)會(huì)影響電路工作狀態(tài)，從而測試不到正常的波形,。

2. 眼圖測試

        眼 圖測試是常用的測試手段,，特別是對于有規(guī)范要求的接口，比如E1/T1,、USB,、10/100BASE-T，還有光接口等,。這些標(biāo)準(zhǔn)接口信號(hào)的眼圖測試,， 主要是用帶MASK(模板)的示波器，包括通用示波器,，采樣示波器或者信號(hào)分析儀,，這些示波器內(nèi)置的時(shí)鐘提取功能，可以顯示眼圖,，對于沒有MASK的示波 器,，可以使用外接時(shí)鐘進(jìn)行觸發(fā)。使用眼圖測試功能,，需要注意測試波形的數(shù)量,，特別是對于判斷接口眼圖是否符合規(guī)范時(shí)，數(shù)量過少,，波形的抖動(dòng)比較小,，也許有一下違規(guī)的情況，比如波形進(jìn)入MASK的某部部分,，就可能采集不到,，出現(xiàn)誤判為通過，數(shù)量太多,，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)測試時(shí)間過長,，效率不高，通常情況下,，測試波形數(shù)量不少于2000,，在3000左右為適宜。

        目 前有一些儀器,，利用分析軟件,，可以對眼圖中的違規(guī)詳細(xì)情況進(jìn)行查看，比如在MASK中落入了一些采樣點(diǎn),，在以前是不知道哪些情況下落入的,，因?yàn)樗械牟蓸?點(diǎn)是累加進(jìn)去的，總的效果看起來就象是長余暉顯示,。而新的儀器,，利用了其長存儲(chǔ)的優(yōu)勢，將波形采集進(jìn)來后進(jìn)行處理顯示,，因此波形的每一個(gè)細(xì)節(jié)都可以保留,， 因此它可以查看波形的違規(guī)情況，比如波形是000010還是101010,，這個(gè)功能可以幫助硬件工程師查找問題的根源所在,。

3. 抖動(dòng)測試

        抖 動(dòng)測試現(xiàn)在越來越受到重視，因?yàn)閷Ｓ玫亩秳?dòng)測試儀器,，比如TIA(時(shí)間間隔分析儀),、SIA3000，價(jià)格非常昂貴,，使用得比較少,。使用得最多是示波器加 上軟件處理，如TEK的TDSJIT3軟件,。通過軟件處理,，分離出各個(gè)分量，比如RJ和DJ,，以及DJ中的各個(gè)分量,。對于這種測試，選擇的示波器,，長存儲(chǔ) 和高速采樣是必要條件,，比如2M以上的存儲(chǔ)器，20GSa/s的采樣速率,。不過目前抖動(dòng)測試,，各個(gè)公司的解決方案得到結(jié)果還有相當(dāng)差異，還沒有哪個(gè)是權(quán)威 或者行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),。

4. TDR測試

        TDR測試目前主要使用于PCB(印制電路板)信號(hào)線、以及器件阻抗的 測試,，比如單端信號(hào)線,，差分信號(hào)線，連接器等,。這種測試有一個(gè)要求,，就是和實(shí)際應(yīng)用的條件相結(jié)合,，比如實(shí)際該信號(hào)線的信號(hào)上升沿在300ps左右，那么 TDR的輸出脈沖信號(hào)的上升沿也要相應(yīng)設(shè)置在300ps附近,，而不使用30ps左右的上升沿,，否則測試結(jié)果可能和實(shí)際應(yīng)用有比較大的差別。影響TDR測試 精度有很多的原因,，主要有反射,、校準(zhǔn)、讀數(shù)選擇等,，反射會(huì)導(dǎo)致較短的PCB信號(hào)線測試值出現(xiàn)嚴(yán)重偏差,，特別是在使用TIP(探針)去測試的情況下更為明 顯，因?yàn)門IP和信號(hào)線接觸點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致很大的阻抗不連續(xù),，導(dǎo)致反射發(fā)生,，并導(dǎo)致附近三、四英寸左右范圍的PCB信號(hào)線的阻抗曲線起伏,。

5. 時(shí)序測試

        現(xiàn) 在器件的工作速率越來越快,，時(shí)序容限越來越小，時(shí)序問題導(dǎo)致產(chǎn)品不穩(wěn)定是非常常見的,，因此時(shí)序測試是非常必要的,。測試時(shí)序通常需要多通道的示波器和多個(gè)探 頭，示波器的邏輯觸發(fā)或者碼型和狀態(tài)觸發(fā)功能,，對于快速捕獲到需要的波形,，很有幫助，不過多個(gè)探頭在實(shí)際操作中,，并不容易,，又要拿探頭，又要操作示波器,， 那個(gè)時(shí)候感覺有孫悟空的三頭六臂就方便多了,。邏輯分析儀用做時(shí)序測試并不多，因?yàn)樗饕饔檬欠治龃a型,，也就是分析信號(hào)線上跑的是什么碼,，和代碼聯(lián)系在一 起，可以分析是哪些指令或者數(shù)據(jù),。在對于要求不高的情況下,，可以用它來測試，它相對示波器來說,，優(yōu)勢就是通道數(shù)多,，但是它的劣勢是探頭連接困難，除非設(shè)計(jì) 的時(shí)候就已經(jīng)考慮了連接問題，否則飛線就是唯一的選擇,，如果信號(hào)線在PCB的內(nèi)層,，幾乎很難做到。

6. 頻譜測試

        對 于產(chǎn)品的開發(fā)前期,，這種測試應(yīng)用相對比較少,，但是對于后期的系統(tǒng)測試，比如EMC測試,，很多產(chǎn)品都需要測試,。通過該測試發(fā)現(xiàn)某些頻點(diǎn)超標(biāo)，然后可以使用近 場掃描儀(其中關(guān)鍵的儀器是頻譜儀),，例如EMC SCANER,，來分析板卡上面具體哪一部分的頻譜比較高，從而找出超標(biāo)的根源所在,。不過這些設(shè)備相對都比較昂貴,，中小公司擁有的不多，因此通常情況下都是 在設(shè)計(jì)時(shí)仔細(xì)做好匹配和屏蔽,，避免后面測試時(shí)發(fā)現(xiàn)信號(hào)頻譜超標(biāo),，因?yàn)楹笃诎l(fā)現(xiàn)了問題，很多情況下是很難定位的,。

7. 頻域阻抗測試

        現(xiàn) 在很多標(biāo)準(zhǔn)接口,，比如E1/T1等，為了避免有太多的能量反射,，都要求比較好地匹配,，另外在射頻或者微波，相互對接,，對阻抗通常都有要求,。這些情況下，都 需要進(jìn)行頻域的阻抗測試,。阻抗測試通常使用網(wǎng)絡(luò)分析儀,，單端端口相對簡單，對于差分輸入的端口,，可以使用Balun進(jìn)行差分和單端轉(zhuǎn)換,。

        傳 輸損耗測試，對于長的PCB走線,，或者電纜等,，在傳輸距離比較遠(yuǎn)，或者傳輸信號(hào)速率非常高的情況下，還有頻域的串?dāng)_等,，都可以使用網(wǎng)絡(luò)分析儀來測試,。同樣 的，對于PCB差分信號(hào)或者雙絞線,，也可是使用Balun進(jìn)行差分到單端轉(zhuǎn)換,，或者使用4端口網(wǎng)絡(luò)分析來測試。多端口網(wǎng)絡(luò)分析儀的校準(zhǔn),，使用電子校準(zhǔn)件可 以大大提高校準(zhǔn)的效率,。

8. 誤碼測試

        誤碼測試實(shí)際上是系統(tǒng)測試，利用誤碼儀,，甚至是一些軟件 都可做,，比如可以通過兩臺(tái)電腦，使用軟件,，測試連接兩臺(tái)電腦間的網(wǎng)絡(luò)誤碼情況,。誤碼測試可以對數(shù)據(jù)的每一位都進(jìn)行測試，這是它的優(yōu)點(diǎn),，相比之下示波器只是 部分時(shí)間進(jìn)行采樣,，很多時(shí)間都在等待，因此漏過了很多細(xì)節(jié),。低誤碼率的設(shè)備的誤碼測試很耗費(fèi)時(shí)間,，有的測試時(shí)間是一整天，甚至是數(shù)天,。

        實(shí) 際中如何選用這上述測試手段,，需要根據(jù)被測試對象進(jìn)行具體分析，不同的情況需要不同的測試手段,。比如有標(biāo)準(zhǔn)接口的,，就可以使用眼圖測試、阻抗測試和誤碼測 試等,，對于普通硬件電路,，可以使用波形測試、時(shí)序測試,，設(shè)計(jì)中有高速信號(hào)線,，還可以使用TDR測試。對于時(shí)鐘,、高速串行信號(hào),，還可以抖動(dòng)測試等。

        另外上面眾多的儀器,，很多都可以實(shí)現(xiàn)多種測試,，比如示波器,，可以實(shí)現(xiàn)波形測試，時(shí)序測試,，眼圖測試和抖動(dòng)測試等,，網(wǎng)絡(luò)分析儀可以實(shí)現(xiàn)頻域阻抗測試、傳輸損耗測試等,，因此靈活應(yīng)用儀器也是提高測試效率,，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在問題的關(guān)鍵。

信號(hào)完整性仿真

        信號(hào)完整性測試是信號(hào)完整性設(shè)計(jì)的一個(gè)手段，在實(shí)際應(yīng)用中還有信號(hào)完整性仿真,，這兩個(gè)手段結(jié)合在一起,，為硬件開發(fā)活動(dòng)提供了強(qiáng)大的支持,。圖1是目前比較常見的硬件開發(fā)過程,。

        在 需求分析和方案選擇階段，就可以應(yīng)用一些信號(hào)完整性測試手段和仿真手段來分析可行性,，或者判斷哪種方案優(yōu)勝,，比如測試一些關(guān)鍵芯片的評估板，看看信號(hào)的電 平,、速率等是否滿足要求,，或者利用事先得到的器件模型，進(jìn)行仿真,，看接口的信號(hào)傳輸距離是否滿足要求等,。在平時(shí)利用測試手段，也可以得到一些器件的模型,， 比如電纜的傳輸模型,，這種模型可以利用在仿真中，當(dāng)這些模型積累比較多,，一些部分測試,，包括設(shè)計(jì)完畢后的驗(yàn)證測試，可以用仿真來替代,，這對于效率提高很有 好處,，因?yàn)橐粋€(gè)設(shè)計(jì)中的所有的信號(hào)都完全進(jìn)行測試，是比較困難的,，也是很耗費(fèi)時(shí)間的,。

        在設(shè)計(jì)階段，通常是使用仿真手段,，對具體問題進(jìn)行分析,，比如負(fù)載的個(gè)數(shù)，PCB信號(hào)線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并根據(jù)仿真結(jié)果對設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整,，以便將大多數(shù)的信號(hào)完整性問題解決在設(shè)計(jì)階段,。

        系統(tǒng)調(diào)試以及驗(yàn)證測試階段，主要是利用信號(hào)完整性測試手段,，對設(shè)計(jì)進(jìn)行測試,，看是否設(shè)計(jì)的要求。如果發(fā)現(xiàn)了嚴(yán)重問題,，就要去解決,，信號(hào)完整性的測試和仿真手段都將用來尋找問題的根源，以及尋找適合的解決方案上面,。

        信號(hào)完整性測試和信號(hào)完整性仿真緊密結(jié)合,，是信號(hào)完整性設(shè)計(jì)的基本要求。

應(yīng)用實(shí)例

        某 種進(jìn)口電纜A在公司的各個(gè)產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用,，由于是獨(dú)家供應(yīng)商,，多年價(jià)格一直沒有下降過，在通信產(chǎn)品的價(jià)格逐年大幅度地下降的情況下,，是不大正常的,，這種情 況下需要尋找替代的供應(yīng)商，由于涉及的產(chǎn)品眾多,，并且產(chǎn)品在網(wǎng)絡(luò)中的地位很高,，替代就顯得非常謹(jǐn)慎，因此需要通過多方面測試驗(yàn)證,，才能夠決定能否替代,。

        根 據(jù)規(guī)格需求，找到擬用來替代的國產(chǎn)電纜B,，根據(jù)這種情況,，設(shè)計(jì)多種測試進(jìn)行驗(yàn)證兩種電纜的效果：1. 頻域測試：測試兩種電纜的傳輸損耗、反射,、串?dāng)_等,；2. 時(shí)域測試：測試兩種電纜的眼圖測試、波形測試等,；3. 仿真：利用仿真軟件,，仿真眼圖傳輸情況；4. 其他測試：呼叫測試(系統(tǒng)測試的一種,，模擬實(shí)際應(yīng)用的性能),。圖2、3和4是部分的測試結(jié)果,。

        從 圖2可以看到,，兩種電纜的差分傳輸損耗差不多,，而電纜A得近端串?dāng)_則相對比較大。圖3使用了仿真軟件,，仿真20米長的電纜,，傳輸40Mbps信號(hào)的眼圖情 況，仿真使用的電纜模型是利用上面頻域測試得到的模型,，通過仿真可以看到電纜B的眼圖比電纜A的眼圖要好,，不論眼高還是眼圖抖動(dòng)。

        圖4是實(shí)際應(yīng)用的眼圖情況,，很明顯電纜B的眼圖要比電纜A的眼圖要好,，和前面的仿真結(jié)果比較吻合，不過電纜A的實(shí)際反射比較大一點(diǎn),，這和仿真使用驅(qū)動(dòng)器件的模型有關(guān),。

        綜合其他測試的結(jié)果，最后結(jié)論認(rèn)為擬用來替代的國產(chǎn)電纜B,，性能優(yōu)于進(jìn)口電纜電纜A,，因此完全可以替代。這個(gè)替代,，將給公司帶來每年數(shù)百萬元的成本下降,。