|
信号完整性设计在产品开发中越来越受到重视 ，而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 ，比如误码测试 。这些手段并非任何情况下都适合使用 ，都存在这样那样的局限性 ，合适选用 ，可以做到事半功倍 ，避免走弯路 。本文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 ，最后给出了一个测试实例 。
信号完整性的测试手段很多 ，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 。
信号完整性的测试手段
信号完整性的测试手段主要可以分为三大类 ，如表1所示 。表中列出了大部分信号完整性测试手段 ，这些手段既有优点 ，但是也存在局限性 ，实际上不可能全部都使用 ，下面对这些手段进行一些说明 。
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 。
首先是要求主机和探头一起组成的带宽要足够 。基本上测试系统的带宽是测试信号带宽的3倍以上就可以了 。实际使用中 ，有一些工程师随便找一些探头就去测试 ，甚至是A公司的探头插到B公司的示波器去 ，这种测试很难得到准确的结果 。
其次要注重细节 。比如测试点通常选择放在接收器件的管脚 ，如果条件限制放不到上面去的 ，比如BGA封装的器件 ，可以放到最靠近管脚的PCB走线上或者过孔上面 。距离接收器件管脚过远 ，因为信号反射 ，可能会导致测试结果和实际信号差异比较大；探头的地线尽量选择短地线等 。
最后 ，需要注意一下匹配 。这个主要是针对使用同轴电缆去测试的情况 ，同轴直接接到示波器上去 ，负载通常是50欧姆 ，并且是直流耦合 ，而对于某些电路 ，需要直流偏置 ，直接将测试系统接入时会影响电路工作状态 ，从而测试不到正常的波形 。
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E1/T1、USB、10/100BASE-T ，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 。使用眼图测试功能 ，需要注意测试波形的数量 ，特别是对于判断接口眼图是否符合规范时 ，数量过少 ，波形的抖动比较小 ，也许有一下违规的情况 ，比如波形进入MASK的某部部分 ，就可能采集不到 ，出现误判为通过 ，数量太多 ，会导致整个测试时间过长 ，效率不高 ，通常情况下 ，测试波形数量不少于2000 ，在3000左右为适宜 。
目前有一些仪器 ，利用分析软件 ，可以对眼图中的违规详细情况进行查看 ，比如在MASK中落入了一些采样点 ，在以前是不知道哪些情况下落入的 ，因为所有的采样点是累加进去的 ，总的效果看起来就象是长余晖显示 。而新的仪器 ，利用了其长存储的优势 ，将波形采集进来后进行处理显示 ，因此波形的每一个细节都可以保留 ，因此它可以查看波形的违规情况 ，比如波形是000010还是101010 ，这个功能可以帮助硬件工程师查找问题的根源所在 。
3. 抖动测试
抖动测试现在越来越受到重视 ，因为专用的抖动测试仪器 ，比如TIA(时间间隔分析仪)、SIA3000 ，价格非常昂贵 ，使用得比较少 。使用得最多是示波器加上软件处理 ，如TEK的TDSJIT3软件 。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 。不过目前抖动测试 ，各个公司的解决方案得到结果还有相当差异 ，还没有哪个是权威或者行业标准 。
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 ，连接器等 。这种测试有一个要求 ，就是和实际应用的条件相结合 ，比如实际该信号线的信号上升沿在300ps左右 ，那么TDR的输出脉冲信号的上升沿也要相应设置在300ps附近 ，而不使用30ps左右的上升沿 ，否则测试结果可能和实际应用有比较大的差别 。影响TDR测试精度有很多的原因 ，主要有反射、校准、读数选择等 ，反射会导致较短的PCB信号线测试值出现严重偏差 ，特别是在使用TIP(探针)去测试的情况下更为明显 ，因为TIP和信号线接触点会导致很大的阻抗不连续 ，导致反射发生 ，并导致附近三、四英寸左右范围的PCB信号线的阻抗曲线起伏 。
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 。逻辑分析仪用做时序测试并不多 ，因为它主要作用是分析码型 ，也就是分析信号线上跑的是什么码 ，和代码联系在一起 ，可以分析是哪些指令或者数据 。在对于要求不高的情况下 ，可以用它来测试 ，它相对示波器来说 ，优势就是通道数多 ，但是它的劣势是探头连接困难 ，除非设计的时候就已经考虑了连接问题 ，否则飞线就是唯一的选择 ，如果信号线在PCB的内层 ，几乎很难做到 。
6. 频谱测试
对于产品的开发前期 ，这种测试应用相对比较少 ，但是对于后期的系统测试 ，比如EMC测试 ，很多产品都需要测试 。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) ，例如EMC
SCANER ，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 。不过这些设备相对都比较昂贵 ，中小公司拥有的不多 ，因此通常情况下都是在设计时仔细做好匹配和屏蔽 ，避免后面测试时发现信号频谱超标 ，因为后期发现了问题 ，很多情况下是很难定位的 。
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 。
传输损耗测试 ，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 。
8. 误码测试
误码测试实际上是系统测试 ，利用误码仪 ，甚至是一些软件都可做 ，比如可以通过两台电脑 ，使用软件 ，测试连接两台电脑间的网络误码情况 。误码测试可以对数据的每一位都进行测试 ，这是它的优点 ，相比之下示波器只是部分时间进行采样 ，很多时间都在等待 ，因此漏过了很多细节 。低误码率的设备的误码测试很耗费时间 ，有的测试时间是一整天 ，甚至是数天 。
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 。图1是目前比较常见的硬件开发过程 。
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 ，是信号完整性设计的基本要求 。
应用实例
某种进口电缆A在公司的各个产品中广泛应用 ，由于是独家供应商 ，多年价格一直没有下降过 ，在通信产品的价格逐年大幅度地下降的情况下 ，是不大正常的 ，这种情况下需要寻找替代的供应商 ，由于涉及的产品众多 ，并且产品在网络中的地位很高 ，替代就显得非常谨慎 ，因此需要通过多方面测试验证 ，才能够决定能否替代 。
根据规格需求 ，找到拟用来替代的国产电缆B ，根据这种情况 ，设计多种测试进行验证两种电缆的效果：1.
频域测试：测试两种电缆的传输损耗、反射、串扰等；2. 时域测试：测试两种电缆的眼图测试、波形测试等；3.
仿真：利用仿真软件 ，仿真眼图传输情况；4. 其他测试：呼叫测试(系统测试的一种 ，模拟实际应用的性能) 。图2、3和4是部分的测试结果 。
从图2可以看到 ，两种电缆的差分传输损耗差不多 ，而电缆A得近端串扰则相对比较大 。图3使用了仿真软件 ，仿真20米长的电缆 ，传输40Mbps信号的眼图情况 ，仿真使用的电缆模型是利用上面频域测试得到的模型 ，通过仿真可以看到电缆B的眼图比电缆A的眼图要好 ，不论眼高还是眼图抖动 。
图4是实际应用的眼图情况 ，很明显电缆B的眼图要比电缆A的眼图要好 ，和前面的仿真结果比较吻合 ，不过电缆A的实际反射比较大一点 ，这和仿真使用驱动器件的模型有关 。
综合其他测试的结果 ，最后结论认为拟用来替代的国产电缆B ，性能优于进口电缆电缆A ，因此完全可以替代 。这个替代 ，将给公司带来每年数百万元的成本下降 。
|
