2/26/2025，光纖在線訊，在5G基站的核心芯片里，在數(shù)據(jù)中心的光模塊中，甚至在你手中的智能手機主板內(nèi)，每秒鐘有超過萬億比特（Tbps）的數(shù)據(jù)以接近光的速度穿梭。這些信號的“賽道”僅有頭發(fā)絲千分之一的寬度，而它們的“賽車”卻需要以皮秒（1皮秒=1萬億分之一秒）為單位精準控制啟停。一旦信號波形出現(xiàn)細微畸變，輕則引發(fā)數(shù)據(jù)有誤碼，重則導(dǎo)致系統(tǒng)宕機——這就是高速信號完整性（Signal Integrity, SI）測試的終極使命：在微觀世界中守護每一次比特的完美躍遷。

       高速串行信號傳輸速率越來越高，很多電子工程師在電路設(shè)計過程中，經(jīng)常碰見系統(tǒng)不穩(wěn)定、間歇性的死機、不同產(chǎn)品兼容性差，經(jīng)常出現(xiàn)誤碼，這些現(xiàn)象多半是信號完整性惹的禍。

       在高速數(shù)字系統(tǒng)（如PCIE5.0、USB4.0、DDR5、400G以太網(wǎng)等）中，信號完整性的好壞直接決定了整個系統(tǒng)的可靠性與性能上限。隨著信號速率突破數(shù)十Gbps，微小的波形畸變、時序抖動或阻抗失配都可能引發(fā)災(zāi)難性錯誤。為了確保系統(tǒng)內(nèi)模塊之間及時、準確的數(shù)據(jù)傳輸，要滿足高速傳輸?shù)男阅芊项A(yù)期，信號完整性越來越重要，本文將從基礎(chǔ)理論出發(fā)，深入探討信號完整性的驗證和分析。

      
在信號完整性驗證和測試過程中，很多工程師會面臨各種各樣的問題：

抖動太大？
眼圖太差？
誤碼太多？如何得到一個“漂亮”的眼圖結(jié)果？
抖動每次測試的結(jié)果都不一致？
如何在系統(tǒng)設(shè)計中改善抖動指標？
接收端抖動容限和噪聲容限怎么測試？
FFE/CTLE/DFE均衡設(shè)置和考量？

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如何評估高速信號完整性？
       由于高速串行信號傳輸速率不斷攀升，在電路設(shè)計過程中，工程師常常遇到諸多棘手問題，諸如：系統(tǒng)不穩(wěn)定、間歇性的死機、不同產(chǎn)品兼容性差以及經(jīng)常出現(xiàn)誤碼等，而這些現(xiàn)象多半是信號完整性的問題。依照信號傳輸?shù)耐暾鞒?，分別針對 TX 端（發(fā)送端）、傳輸鏈路以及 RX 端（接收端）進行測試，便能夠精準地定位問題根源，從而為后續(xù)的優(yōu)化改進工作提供有力依據(jù)，確保高速傳輸系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運行。

       在高速信號傳輸鏈路中互連鏈路上任何一個環(huán)節(jié)的故障可能影響整個系統(tǒng)工作的效率以及穩(wěn)定性，對于測試人員需要花費更多的成本去發(fā)現(xiàn)問題、定位問題、分析問題、解決問題。新標準逐漸從單一互連簡單要求的基礎(chǔ)上，額外增加協(xié)同整體要求。整個高速鏈路性能的評估，包括Tx發(fā)送端，傳輸鏈路，以及Rx接收端三大部分組成，發(fā)送、接收、電纜或者背板需要放在一個互連鏈路中評估。評估時按照時域、頻域和其他進行不同儀表的選取。

      
信號完整性測試核心儀器
 ·    實時示波器（RT Scope）：利用高性能實時示波器和軟件完成Tx發(fā)送端信號的抖動(Jitter)和眼圖(Eye Diagram）以及一致性測試測試。

 ·    誤碼率測試儀（BERT）：利用誤碼儀的PPG創(chuàng)建壓力眼（Stressed Eye）信號模擬極端環(huán)境，驗證其接收端RX容限能力。

 ·    矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）：信號在傳輸過程中，對不同速率其損耗不同，反射和串擾都可以導(dǎo)致信號的波形發(fā)生失真，導(dǎo)致眼圖閉合。使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）測量夾具和傳輸鏈路的 S 參數(shù)；利用TDR或VNA進行阻抗測試以及通過時域反射計（TDR）驗證差分對的對稱性，控制 Intra-pair Skew。

Tx發(fā)送端信號質(zhì)量的評估
       在高速數(shù)字系統(tǒng)中，信號完整性（Signal Integrity, SI）是確保信號從發(fā)送端（Tx）到接收端（Rx）全程保持準確時序、幅度和形狀的核心指標。隨著數(shù)據(jù)速率從 1.25Gbps 躍升至 800Gbps 甚至更高，TX 發(fā)送端的信號質(zhì)量直接影響整個系統(tǒng)的誤碼率、功耗以及穩(wěn)定性。

TX 發(fā)送端的核心挑戰(zhàn)(信號完整性的“三大殺手”)：
       1.高頻衰減：信號的高頻分量在傳輸鏈路中易受趨膚效應(yīng)和介質(zhì)損耗影響，導(dǎo)致眼圖閉合。
       2.反射與串擾：阻抗不連續(xù)和相鄰信號線的電磁耦合會引發(fā)波形畸變。
       3.抖動控制：總體抖動TJ，可能超出接收端容限。

TX 發(fā)送端信號質(zhì)量的評估指標
1.波形完整性
波形完整性是衡量信號在傳輸過程中是否畸變的關(guān)鍵指標，主要包括以下參數(shù)：
 ·    過沖（Overshoot）與下沖（Undershoot）：由阻抗不匹配或反射、或者電源噪聲引起，可能損壞器件或?qū)е逻壿嬚`判。例如，過沖超過器件耐壓閾值時，可能觸發(fā)保護電路動作。

 ·    振鈴（Ringing）: 傳輸線中的電感、電容諧振效應(yīng)導(dǎo)致信號在跳變后振蕩，需通過優(yōu)化終端匹配電阻或調(diào)整信號上升時間抑制。

 ·    單調(diào)性（Monotonicity）：信號上升沿/下降沿需保持單一方向變化，避免影響時序判斷。

 ·    衰減（Attenuation）：高頻信號因趨膚效應(yīng)和介質(zhì)損耗導(dǎo)致的幅度下降，可通過預(yù)加重（Pre-emphasis）或去加重（De-emphasis）技術(shù)補償。

   
2.時序完整性
 ·    建立時間（Setup Time）與保持時間（Hold Time）：信號在時鐘邊沿前后需穩(wěn)定保持的最小時間窗口，違反會導(dǎo)致數(shù)據(jù)采樣錯誤。

 
 ·    時序抖動（Timing Jitter）：總體抖動（TJ）為隨機抖動（RJ）和確定性抖動（DJ）。
 ·    確定性抖動（DJ）：DJ 包括周期性抖動（PJ）、碼間干擾（ISI），占空比失真（DCD)。
 ·    隨機抖動（RJ）：RJ 服從高斯分布且無界，需通過低噪聲電源設(shè)計和屏蔽措施抑制。

  
3.電源完整性（PI）
PI 與 SI 緊密相連，電源噪聲會直接耦合到信號路徑。電源噪聲是導(dǎo)致信號質(zhì)量惡化的主要因素之一。電源完整性測試包括：

 ·    紋波與噪聲：紋波一般控制在 5% 以內(nèi)，過高的噪聲會導(dǎo)致信號幅度波動和抖動增加，使用高帶寬示波器測量電源軌的峰峰值噪聲（通常需小于 50mVpp）。

 ·    同步開關(guān)噪聲（SSN）：多路信號同時切換時，地彈和電源反彈會引入共模干擾，需通過去耦電容和低阻抗電源平面設(shè)計緩解。

  
4.抖動與眼圖分析
抖動是高速信號中最難控制的參數(shù)之一。
 ·    抖動總抖動（TJ）= 隨機抖動（RJ） + 確定性抖動（DJ）：TJ 需要滿足協(xié)議規(guī)定的容限。

 ·    眼圖測試：通過疊加多比特周期形成，直觀反映信號幅度、抖動和噪聲，眼高（Eye Height）和眼寬（Eye Width）是判斷信號質(zhì)量的黃金標準。

 ·    眼圖模板測試：將實際眼圖與協(xié)議標準模板（如 USB4 或 PCIe 的眼高/眼寬要求）對比，快速判斷 Pass/Fail。

 ·    抖動分解：通過 TIE（Time Interval Error）分析，分離 RJ 和 DJ 成分。例如，泰克實時示波器的DPOJET抖動分析軟件可自動生成雙狄拉克模型，預(yù)測總抖動（TJ）。

            
Rx接收端測試
一、為什么要做Rx接收端測試？——高速信號的“最后一公里”挑戰(zhàn)
       在高速數(shù)字系統(tǒng)中，接收端（Rx）是信號傳輸鏈路的最終環(huán)節(jié)，也是信號完整性問題爆發(fā)的“重災(zāi)區(qū)”。隨著以太網(wǎng)速率從10G邁向800G甚至1.6T，USB4.0和PCIE6.0的速率突破64Gbps，高速信號在傳輸過程中面臨損耗、反射、串擾等問題的多重夾擊。即使發(fā)送端（Tx）和傳輸鏈路的設(shè)計近乎完美，接收端的微小偏差也可能導(dǎo)致系統(tǒng)誤碼率飆升，甚至完全失效。

       有趣的是，接收端的測試難點在于其“黑盒性”：芯片內(nèi)部的均衡電路（如CTLE、DFE）、時鐘恢復(fù)模塊（CDR）等復(fù)雜結(jié)構(gòu)無法直接觀測，只能通過注入壓力信號模擬極端環(huán)境，驗證其容限能力。因此，抖動容限測試（JTOL）成為評估接收端Rx性能的“黃金標準”。

二、抖動容限測試的核心原理：如何“折磨”接收端？
1. 壓力眼圖：模擬真實世界的“最差情況”
       抖動容限測試的核心是生成“壓力眼圖”（Stressed Eye），即在信號中注入特定類型的抖動和噪聲，模擬傳輸鏈路中最惡劣的環(huán)境。例如：
 ·    隨機抖動（RJ）：源于熱噪聲等不可預(yù)測因素，呈高斯分布，無界特性使其成為“長期誤碼殺手。

 ·    確定性抖動（DJ）：包括周期性抖動（PJ）、碼間干擾（ISI）等，與電路設(shè)計缺陷直接相關(guān)，可通過均衡技術(shù)部分補償。

 ·    串擾噪聲（BUJ）：相鄰?fù)ǖ赖母蓴_，尤其是高頻信號下，近端和遠端串擾可能疊加形成“噪聲風(fēng)暴”。

    
2. 測試流程：從校準到判據(jù)
通過高性能誤碼儀注入這些抖動，逐步增加壓力，直到接收端誤碼率閾值，即可確定其抖動容限邊界。

       使用高性能誤碼儀產(chǎn)生一個劣化（注入抖動）的眼圖信號，俗稱壓力眼信號。壓力眼信號的參數(shù)有明確規(guī)定,，在不同的規(guī)范中具體指標會有不同。通過校準后的壓力眼會輸入被測接收機進行抖動容限測試。中星聯(lián)華SL3000B系列高性能誤碼儀可提供PJ、RJ、BUJ等抖動注入，可以為RX JTOL測試提供強力支持。

測試流程：
 ·    產(chǎn)生規(guī)范要求的抖動分量，在不同的頻點上分別產(chǎn)生相應(yīng)的抖動量；
 ·    將stressed信號注入DUT Rx；
 ·    統(tǒng)計DUT Tx端發(fā)出的信號的誤碼率是否達到要求。

      
      
      
       目前，中星聯(lián)華的高性能誤碼儀是國內(nèi)首個支持注入抖動和加噪聲創(chuàng)建壓力信號的高性能誤碼儀，也是目前國內(nèi)首款能夠滿足接收端抖動容限JTOL和噪聲容限ITOL測試的誤碼儀。其中可支持的注入抖動類型有低頻正弦抖動、高頻周期抖動、BUJ串擾抖動、RJ隨機抖動以及SSC擴頻時鐘等；支持的噪聲類型有CMI和DMI和BBN寬帶白噪聲，有效地解決“卡脖子”的難題。

高速信號完整性測試總結(jié)
       高速信號完整性驗證和測試是高速系統(tǒng)設(shè)計的“守門人”，TX 發(fā)送端信號質(zhì)量評估是需綜合波形、時序、電源和抖動眼圖等多維度參數(shù)。

       RX接收端抖動容限測試不僅是技術(shù)驗證，更是對系統(tǒng)魯棒性的終極考驗。從壓力眼生成到誤碼統(tǒng)計，每一步都需兼顧精度與效率。利用強大的測試工具——高性能誤碼分析儀，工程師得以在實驗室中“預(yù)見”真實世界的信號”最差環(huán)境“，從而設(shè)計出真正可靠的高速系統(tǒng)。正如一位資深工程師所言：“好的接收端RX測試，就像給信號穿上防彈衣——它可能不會讓系統(tǒng)跑得更快，但一定能讓它活得更久。

       隨著速率提升和協(xié)議復(fù)雜化，測試技術(shù)正向智能化、高集成度方向發(fā)展。工程師需緊跟技術(shù)演進，結(jié)合仿真與實測，確保信號從發(fā)送端到接收端的全程完整性。