High Speed SI测试与仿真讨论

随着高速设计越来越普遍，信号完整性设计在产品开发中也受到了越来越多的重视。信号完整性的测试手段种类繁多，有频域，也有时域的，还有一些综合性的手段，涉及的仪器也很多，因此熟悉各种测试手段的特点，以及根据测试对象的特性和要求，选用适当的测试手段，对于选择方案、验证效果、解决问题等硬件开发活动，都能够大大提高效率，起到事半功倍的作用。

本文部分转载了来自《信号完整性》论坛的文章，对各种测试手段进行介绍，并结合实际硬件开发活动说明如何选用，做到事半功倍，避免走弯路。

1. 波形测试

波形测试是信号完整性测试中最常用的手段，一般是使用示波器进行，主要测试波形幅度、边沿和毛刺等，通过测试波形的参数，可以看出幅度、边沿时间等是否满足器件接口电平的要求，有没有存在信号毛刺等。由于示波器是极为通用的仪器，几乎所有的硬件工程师都会使用，但并不表示大家都使用得好。波形测试也要遵循一些要求，才能够得到准确的信号。

2. 眼图测试

眼图测试是常用的测试手段，特别是对于有规范要求的接口，比如USB、Ethernet、SATA、HDMI，还有光接口等。这些标准接口信号的眼图测试，主要是用带MASK(模板)的示波器，包括通用示波器，采样示波器或者信号分析仪，这些示波器内置的时钟提取功能，可以显示眼图，对于没有MASK的示波器，可以使用外接时钟进行触发。

3. 抖动测试

抖动测试使用得最多是示波器加上软件处理，通过软件处理，分离出各个分量，比如RJ和DJ，以及DJ中的各个分量。对于这种测试，选择的示波器，长存储和高速采样是必要条件，比如2M以上的存储器，20GSa/s的采样速率。

4. TDR测试

TDR测试目前主要使用于PCB(印制电路板)信号线、以及器件阻抗的测试，比如单端信号线，差分信号线，连接器线缆等。

5. 时序测试

现在器件的工作速率越来越快，时序容限越来越小，时序问题导致产品不稳定是非常常见的，因此时序测试是非常必要的。测试时序通常需要多通道的示波器和多个探头，示波器的逻辑触发或者码型和状态触发功能，对于快速捕获到需要的波形，很有帮助，不过多个探头在实际操作中，并不容易，又要拿探头，又要操作示波器，那个时候感觉有孙悟空的三头六臂就方便多了。

6. 频谱测试

对于后期的系统测试，比如EMC测试，很多产品都需要频谱测试。通过该测试发现某些频点超标，然后可以使用近场扫描仪(其中关键的仪器是频谱仪)，来分析板卡上面具体哪一部分的频谱比较高，从而找出超标的根源所在。

7. 频域阻抗测试

现在很多标准接口，比如E1/T1等，为了避免有太多的能量反射，都要求比较好地匹配，另外在射频或者微波，相互对接，对阻抗通常都有要求。这些情况下，都需要进行频域的阻抗测试。阻抗测试通常使用网络分析仪，单端端口相对简单，对于差分输入的端口，可以使用Balun进行差分和单端转换。

8. 传输线损耗测试

传输线损耗测试，对于长的PCB走线，或者电缆等，在传输距离比较远，或者传输信号速率非常高的情况下，还有频域的串扰等，都可以使用网络分析仪来测试。同样的，对于PCB差分信号或者双绞线，也可是使用Balun进行差分到单端转换，或者使用4端口网络分析来测试。多端口网络分析仪的校准，使用电子校准件可以大大提高校准的效率。

实际中如何选用这上述测试手段，需要根据被测试对象进行具体分析，不同的情况需要不同的测试手段。比如有标准接口的，就可以使用眼图测试、阻抗测试和误码测试等，对于普通硬件电路，可以使用波形测试、时序测试，设计中有高速信号线，还可以使用TDR测试。对于时钟、高速串行信号，还可以抖动测试等。

另外上面众多的仪器，很多都可以实现多种测试，比如示波器，可以实现波形测试，时序测试，眼图测试和抖动测试等，网络分析仪可以实现频域阻抗测试、传输损耗测试等，因此灵活应用仪器也是提高测试效率，发现设计中存在问题的关键。

信号完整性仿真

信号完整性测试是信号完整性设计的一个手段，在实际应用中还有信号完整性仿真，这两个手段结合在一起，为硬件开发活动提供了强大的支持。

在需求分析和方案选择阶段，就可以应用一些信号完整性测试手段和仿真手段来分析可行性，或者判断哪种方案优胜，比如测试一些关键芯片的评估板，看看信号的电平、速率等是否满足要求，或者利用事先得到的器件模型，进行仿真，看接口的信号传输距离是否满足要求等。在平时利用测试手段，也可以得到一些器件的模型，比如电缆的传输模型，这种模型可以利用在仿真中，当这些模型积累比较多，一些部分测试，包括设计完毕后的验证测试，可以用仿真来替代，这对于效率提高很有好处，因为一个设计中的所有的信号都完全进行测试，是比较困难的，也是很耗费时间的。

在设计阶段，通常是使用仿真手段，对具体问题进行分析，比如负载的个数，PCB信号线的拓扑结构，并根据仿真结果对设计进行调整，以便将大多数的信号完整性问题解决在设计阶段。

系统调试以及验证测试阶段，主要是利用信号完整性测试手段，对设计进行测试，看是否设计的要求。如果发现了严重问题，就要去解决，信号完整性的测试和仿真手段都将用来寻找问题的根源，以及寻找适合的解决方案上面。

信号完整性测试和信号完整性仿真紧密结合，这是信号完整性设计的基本要求，但是现在很多公司在这一块上面都存在很多的问题，有的只有测试，有的则只依赖于仿真，当然，这些归根结底还是因为财力和人力的不充足。尤其是国际大厂的那些仿真EDA软件，动则上百万的售价，确实让很多工程师望而却步。芯禾科技是国内目前做仿真EDA软件比较完善的一家，由于常年和中国本土企业打交道，他们对于仿真设计软件惯有的那种复杂的操作流程和低效的仿真速度做了极大的改善，使用国际领先的3D全波电磁仿真solver，在接近或达到HFSS的仿真精度的同时，实现数十倍的速度提升。更重要的是，相比国际大厂技术支持的高高在上，他们的技术支持响应非常及时。当然，价格也是相当接地气的。

本文部分转载了来自《信号完整性》论坛