使用 R&S 示波器進行高速介面訊號完整性與進階抖動分析
- Sonya Chan
- 10月5日
- 讀畢需時 6 分鐘
對高速資料通訊介面進行分析是確保訊號完整性的一項重要任務，而這項分析中的一個主要挑戰，是如何在實體介面與示波器之間建立連接，因為大多數資料通訊介面並未提供適合射頻（RF）量測的測試連接點，這時便需要一個測試治具，作為高速資料通訊介面與示波器 RF 連接器之間的橋樑，但這個治具本身卻會對訊號完整性的量測造成影響；具備進階抖動分析選項的 R&S®RTP 與 R&S®RTO 示波器，不僅能夠分析並分離不同的抖動成因，該選項還能對測試治具與傳輸路徑的影響進行內建評估，讓使用者清楚了解其測試設定所帶來的衝擊。
高速資料通訊介面測試任務
您需要對一個高速資料通訊介面進行特性分析，例如 PCIe、USB、SATA 或 HDMI™，訊號完整性是此特性分析中的一個重要環節，而其中一項挑戰，是如何將待測物 (DUT) 妥善地連接至測試與量測設備，這些設備可能是示波器、頻譜分析儀或向量網路分析儀，通常情況下，這些介面是為消費性產品所設計，採用的是低成本的商用連接器，其 RF 特性並未明確定義，這點與具備標準規格的 SMA 連接器等有所不同，因此需要透過測試治具來連接介面與測試設備，但這些治具對量測結果的影響不容忽視，雖然去嵌入（De-embedding）技術是一種可行的選項，但要對這些治具本身進行特性分析卻是一大挑戰。
訊號完整性分析解決方案
R&S®RTP 與 R&S®RTO 示波器能夠進行深度的訊號完整性分析，其抖動分析功能可提供關鍵參數的分解數據，除了位元錯誤率（BER（Bit Error Rate））之外，所有參數都能夠以三種形式檢視，包含在時域中呈現為趨勢圖（Track）、在頻域中呈現為頻譜，以及在統計上呈現為直方圖；
此外，R&S®RTx-K133 進階抖動分析選項引入了兩項新功能，將分析能力擴展至傳統的抖動參數之外：
合成眼圖： 讓使用者能夠探究特定抖動參數對資料眼圖的影響。
傳輸通道步階響應的內建量測： 此功能涵蓋了由待測物 (DUT)、測試治具與纜線等因素所構成的資料相依特性。
步階響應之所以重要，是因為它涵蓋了測試治具對訊號完整性分析的影響，使用者可以利用步階響應執行多種量測，進而了解測試治具在分析過程中所扮演的角色。
測試應用
本文將以一個範例說明，分析由位元錯誤率測試儀（BERT）所產生的差動訊號（8.125 Gbps、PRBS31），該訊號帶有展頻時脈（SSC（Spread Spectrum Clocking）），且未額外添加抖動，訊號透過一塊 PCIe Gen4 ISI 板（PCIe-VAR-ISI）上的長傳輸路徑進行傳輸，由該電路板所引入的符碼間干擾（ISI（Intersymbol Interference））是造成抖動的主要因素，這個特殊的設定讓我們能夠使用向量網路分析儀（VNA（Vector Network Analyzer））來驗證步階響應的準確性，結果將展示於文末。
重要的是，分析抖動的方式必須與接收器接收並鎖定資料時脈的方式一致，因此，示波器會擷取差動的傳輸（TX）資料，並使用硬體式的時脈資料回復（CDR（Clock Data Recovery））功能來觸發資料訊號（如圖 1 所示），值得注意的是 R&S®RTP 高效能示波器所具備的高更新率（122,000 waveforms/s）。
在開始分析之前，應設定適當的擷取時間，以滿足週期性抖動分析所需的最低頻率解析度，為了達到低至 40 kHz 的解析度（此範圍涵蓋了交換式電源供應器（SMPS）的運作頻率），並在 40 Gsample/s 的取樣率下，我們將記錄長度設定為 2 Msample（計算方式為 2 × (取樣率) / (SMPS 切換頻率)），因此擷取時間為 50 μs。
抖動分解演算法會將差動通道視為一個非歸零（NRZ（Non-Return-to-Zero））訊號進行分析，所需的 CDR 則設定為一個二階的相位鎖定迴路（PLL（Phase-Locked Loop）），其頻寬為 16 MHz。
圖 2 中的抖動分解結果以表格形式呈現，並將統計資料顯示為直方圖（TJ、RJ、PJ、DDJ¹），從中可看出，結果主要由資料相依抖動（DDJ）所主導，BER 的浴缸曲線則顯示了量測值與計算值之間具有良好的一致性。這次分解中的創新之處，是圖 2 中央所顯示的預估步階響應，此步階響應是一個理想步階訊號應用於通道轉移函數後所得到的結果，任何未經校準的測試治具都會被內建地包含在此預估之中。
¹ TJ：總抖動（Total Jitter）、RJ：隨機抖動（Random Jitter）、PJ：週期性抖動（Periodic Jitter）、DDJ：資料相依抖動（Data Dependent Jitter）。
使用者可以選擇在預估過程中設定步階響應的長度，在此案例中，長度被設定為 75 UI，設定步階響應長度時須遵循三個原則：
設定的步階響應長度越長，計算所需的時間就越長。
步階響應的長度應大於通道的記憶效應長度，較長的步階響應有助於進行詳細的分析。
測試碼型的運行長度應大於步階響應的長度。
使用者可以運用熟悉的工具，如游標與自動量測，來分析步階響應，在此範例中，上升時間是透過游標量測的，量測到的上升時間 tr 可讓使用者估算通道的頻寬 fB，其近似公式為 fB=0.35/tr，此公式適用於單極點的低通濾波器模型。
因此，在頻域中進行更詳細的分析就顯得相當有價值，轉移函數的過衝（Overshoot）、下垂（Droop）與振鈴（Ringing）等議題，在頻域中同樣清晰可見。
除了直方圖與預估的步階響應，圖 3 還顯示了該步階響應在頻域中對應的轉移函數，包含了幅度（見標記 M1）與相位（見標記 M2），為了從步階響應計算出頻域的轉移函數，數學運算選單提供了一組函式：
Step2FreqRespNormMag(<channel>,<points>)
Step2FreqRespNormPhi(<channel>,<points>,<delay>)
如同預期，幅度響應呈現出隨頻率增加而衰減的現象，這主要是由介電質損耗所引起，皮膚效應的影響相對較小，相位響應則顯示了傳輸路徑的色散特性，對於這兩條曲線而言，由於通道頻寬的限制，任何高於 16 GHz 的數值均為雜訊，而在 8.125 GHz 處存在一個由資料速率所引起的假影。
此量測結果已與 VNA 的量測結果進行了比較，由於 PCIe Gen4 ISI 板是 ISI 的主要來源，我們對其相關的差動傳輸路徑進行了量測，並將其轉移函數與散射參數中的差動/差動參數（S21 DD）在頻域中進行比較（如圖 4 所示）。
兩種量測結果在 0 Hz 至 16 GHz 的頻段內展現出良好的一致性，幅度偏差小於 1 dB，相位偏差則小於 5°。
總結
R&S®RTP 與 R&S®RTO 示波器可對數位高速訊號進行訊號完整性分析，能夠精準量測已知的抖動成因，如 TJ、RJ、PJ 與 DDJ，不僅如此，示波器還能內建分析造成 DDJ 的轉移函數，由於訊號驅動源的輸出阻抗通常是未知的，且傳輸路徑中各個組件的可及性有限，要對它們進行獨立的特性分析充滿挑戰，因此，內建的轉移函數量測功能，是了解 DDJ 來源的關鍵核心。
相關產品
R&S®RTP 高效能示波器是專為高速訊號完整性分析所打造的頂尖工具，其具備高達 16 GHz 的頻寬與極低的雜訊底層，能夠精準還原訊號的真實樣貌，該機種的核心優勢在於其獨特的即時處理能力，包含硬體式的時脈資料回復（CDR）與即時去嵌入（De-embedding）功能，可即時補償測試治具與纜線造成的損耗，直接呈現最原始的訊號品質，這對於分析本文中提到的 PCIe 或 USB 等高速介面至關重要。
R&S®RTO6 示波器系列憑藉其卓越的訊號保真度，為高速介面的特性分析提供了可靠的平台，其搭載的 10-bit 類比數位轉換器（ADC），並可透過高解析度（HD）模式提升至 16-bit，能清晰呈現訊號中的微小細節與異常，這對於準確量測抖動、雜訊以及評估如步階響應中的過衝與振鈴等現象至關重要，使其成為驗證訊號完整性與進行深度除錯的理想選擇。
