Serial ATA II中S參數(shù)和確定性抖動(dòng)一致性測(cè)試

SATA II頻域測(cè)試

　　SATA II規(guī)范要求大量的測(cè)試，包括電纜和連接器(無源物理層)的時(shí)域測(cè)試、發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的時(shí)域測(cè)試、電纜和連接器(無源物理層)的頻域測(cè)試、發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的頻域測(cè)試等等。其中發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的頻域測(cè)試又包括：

a.Tx/Rx 差分回波損耗

b.Rx/Tx 共?；夭〒p耗

c.Rx/Tx 阻抗平衡 (差模到共模轉(zhuǎn)換)

表1提供了Tx/Rx頻域測(cè)試的詳細(xì)數(shù)據(jù)。

　　在SATA II規(guī)范中詳細(xì)描述了所有時(shí)域測(cè)試。本應(yīng)用指南將重點(diǎn)介紹頻域測(cè)試，并在最后討論最大碼間干擾測(cè)試。

表1：Tx/Rx頻域測(cè)試的詳細(xì)數(shù)據(jù)（略）

S參數(shù)背景知識(shí)

　　S參數(shù)使用每個(gè)端口上的入射波和反射波定義。每個(gè)Sij 參數(shù)都是端口j上的反射(或發(fā)射)波與端口i上的入射波之比。

圖1 Sij參數(shù)是j上的反射（或發(fā)射）波與端口上的入射波之比（略）

　　反射或傳輸通稱為“散射”。如果假設(shè)發(fā)射功率為1/2|Vi+|2，那么每個(gè)端口上的電壓可以定義為，V=V++V-，電流可以定義為I=I++I-。對(duì)可逆聯(lián)接(如互連)，散射矩陣是對(duì)稱的，即S21=S12。

　　盡管4端口是2端口定義的直接擴(kuò)展，但對(duì)于4端口來說，圖像要更加復(fù)雜。

圖2 對(duì)4端口，在計(jì)算S參數(shù)矩陣時(shí)涉及更多的電壓和電流值（略）

　　差分測(cè)量和共模測(cè)量是測(cè)試中的關(guān)鍵。差分測(cè)量在線路之間進(jìn)行，共模測(cè)量則從捆在一起接地的多條線路中進(jìn)行。

　　在實(shí)踐中，激勵(lì)和響應(yīng)的類型決定著要考察的S參數(shù)類型。差分激勵(lì)和差分響應(yīng)定義了差分S參數(shù)象限，共模激勵(lì)和響應(yīng)定義了共模象限，差分激勵(lì)和共模響應(yīng)定義了差模到共模轉(zhuǎn)換混合模式象限，共模激勵(lì)和差分響應(yīng)定義了共模到差模轉(zhuǎn)換混合模式象限。

圖3 差分S參數(shù)象限和共模象限（略）

　　得到的S參數(shù)矩陣如下：

(略)

　　S參數(shù)在不同程度上與數(shù)字設(shè)計(jì)相關(guān)。差分S參數(shù)象限與帶寬和BER/抖動(dòng)直接劣化有關(guān)。共模與偏移和地面反彈問題有關(guān)?；旌夏Ｊ絼t與電磁干擾(EMI，差模到共模轉(zhuǎn)換)和電磁干擾靈敏度 (EMS，共模到差模轉(zhuǎn)換)有關(guān)。但是，在查找EMI和EMS來源時(shí)，通過在時(shí)域中查看同一數(shù)據(jù)，可以產(chǎn)生直觀得多的結(jié)果。另一方面，串?dāng)_是插入損耗 (S21)的一種形式，只不過串?dāng)_是從輸入到輸出沒有直接連接的線路之間的插入損耗。
在數(shù)字設(shè)計(jì)中，S參數(shù)測(cè)量需求(TDNA或FDNA)主要源于需要檢定互連通道的頻域行為，以及許多標(biāo)準(zhǔn)中提出的一致性測(cè)試要求。一致性測(cè)試要求一般把測(cè)量限定在-30dB (SATA的頻域串?dāng)_為-26dB)，互連通道分析要求的測(cè)量能力不超過-40 dB，因?yàn)樵陬l域中，-40 dB大約相當(dāng)于整個(gè)數(shù)字信號(hào)幅度的1%，如圖4所示。

圖4 在頻域中，-40dB大約相當(dāng)于整個(gè)數(shù)字信號(hào)幅度的1%（略）

時(shí)域網(wǎng)絡(luò)分析(TDNA)

　　美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)及美國(guó)和海外各種研究機(jī)構(gòu)一直在全面研究時(shí)域網(wǎng)絡(luò)分析(TDNA)，許多產(chǎn)品已經(jīng)商用化時(shí)域網(wǎng)絡(luò)分析技術(shù)。從概念上說，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)和TDNA實(shí)現(xiàn)的頻域網(wǎng)絡(luò)分析(FDNA)有明顯的類似之處 (圖5)。

圖5 基于TDR的TDNA系統(tǒng)與VNA的概念框圖（略）

　　其在概念上的主要差異是TDNA使用寬帶步進(jìn)類信號(hào)源，而VNA則使用窄帶正弦波發(fā)生器。此外，TDNA是一種瞬態(tài)測(cè)量 (可以觀察到所有轉(zhuǎn)換)，而FDNA則是一種固態(tài)測(cè)量，即所有轉(zhuǎn)換集總在一起，在單一頻率上進(jìn)行測(cè)量，并采用窄帶濾波技術(shù)，最大限度地降低噪聲效應(yīng)。

　　VNA是為微波設(shè)計(jì)的，其目標(biāo)應(yīng)用包括微波濾波器和混頻器設(shè)計(jì)。由于極高的動(dòng)態(tài)范圍，導(dǎo)致了人們需要開發(fā)出某些非常先進(jìn)的校準(zhǔn)程序(如短路-開路-負(fù)荷-直通(SOLT)或直通-反射-線路(TRL))，儀器的整體設(shè)計(jì)目標(biāo)并不是簡(jiǎn)便易用，而是為了實(shí)現(xiàn)這種超高動(dòng)態(tài)范圍。因此頻域成為微波設(shè)計(jì)的首選域。但是，正是使FDNA非常精確的這些校準(zhǔn)程序，使得這些儀器使用起來要困難得多，在執(zhí)行要求的測(cè)試時(shí)需要耗費(fèi)的時(shí)間也多得多，在涉及生產(chǎn)測(cè)試時(shí)，這尤其不受工程師歡迎。

　　TDNA是作為TDR技術(shù)的延伸開發(fā)的。TDR對(duì)數(shù)字設(shè)計(jì)人員來說要比對(duì)微波設(shè)計(jì)人員更加直觀，所以，把TDR轉(zhuǎn)換成S參數(shù)數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)字設(shè)計(jì)人員來說是一個(gè)直觀簡(jiǎn)明的過程。盡管可以對(duì)TDNA應(yīng)用高級(jí)校準(zhǔn)(如SOLT和TRL)來改善精度，但這些程序使得TDNA測(cè)量的簡(jiǎn)便性和直觀性大大下降。即使沒有這些校準(zhǔn)程序，TDNA的動(dòng)態(tài)范圍仍能達(dá)到-50到-60 dB的范圍，足以適應(yīng)數(shù)字設(shè)計(jì)或信號(hào)完整性中的典型測(cè)量，如圖4所示。通過提高時(shí)域采集窗口中的點(diǎn)數(shù)和平均次數(shù)，可以改善TDNA的動(dòng)態(tài)范圍；提高平均次數(shù)和點(diǎn)數(shù)所起的作用與FDNA中的窄帶濾波相同。從整體上看，業(yè)內(nèi)已經(jīng)廣泛研究FDNA和TDNA之間的關(guān)系，并已經(jīng)得到SATA標(biāo)準(zhǔn)的充分認(rèn)可。再加上TDNA系統(tǒng)的成本明顯低得多，TDNA解決方案為進(jìn)行SATA 一致性測(cè)試提供了非常簡(jiǎn)便易用的解決方案。

　　還有一點(diǎn)需要指出，SATA II的一致性測(cè)試點(diǎn)采用的定義方式，使得全面配對(duì)的連接器必須是一致性測(cè)試的一部分。一致性測(cè)試點(diǎn)定義成在無源物理層測(cè)量中必須包括全面配對(duì)的連接器。必須反插SATA插座，不包括電路板上接插的連接器。盡管使用VNA完成這一任務(wù)并不是沒有可能，但這種方法給VNA測(cè)量帶來了另一層復(fù)雜性。同時(shí)，在TDNA中，校準(zhǔn)容易(僅要求短路、開路或直傳參考)使得工程師能夠非常簡(jiǎn)便地反插SATA插座，為TDNA方法提供了另一個(gè)優(yōu)勢(shì)。從整體上看，如圖6所示，夾具反插使VNA的精度優(yōu)勢(shì)蕩然無存，而TDNA的易用性和高吞吐量?jī)?yōu)勢(shì)完好無缺，使得TDNA方法對(duì)SATA II 一致性測(cè)試的吸引力大大提高。

圖6 一致性測(cè)試點(diǎn)采用的定義方式（略）

進(jìn)行特定頻域SATA測(cè)試

　　使用TDNA方法執(zhí)行頻域SATA測(cè)試的典型設(shè)備包括：

1. 泰克TDS8200取樣示波器

2. 兩個(gè)80E04 TDR取樣模塊 (或80E04和80E03非TDR取樣模塊各一個(gè))，以執(zhí)行差分傳輸

3. 泰克IConnect TDR和VNA軟件。IConnect S參數(shù)和Z-line (80SSPAR)對(duì)僅執(zhí)行S參數(shù)測(cè)試足夠了；進(jìn)行最大ISI測(cè)試則要求全面配置的IConnect (80SICON)

4. 相應(yīng)長(zhǎng)度的SMA成套電纜

5. 兩個(gè)SATA-II 無源測(cè)試夾具

　　在執(zhí)行TDNA測(cè)量時(shí)，在采集窗口中包括與DUT對(duì)應(yīng)的所有轉(zhuǎn)換至關(guān)重要，這可以把瞬時(shí)時(shí)域測(cè)量正確轉(zhuǎn)換成固態(tài)S參數(shù)測(cè)量。過早地截去窗口會(huì)產(chǎn)生低頻錯(cuò)誤；窗口太長(zhǎng)則會(huì)不必要地降低測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍。
此外，時(shí)域采集窗口中只需包括測(cè)量的反射邊沿，而入射邊沿則在窗口之外。

圖7 從TDNA方法中獲得S參數(shù)的相應(yīng)采集窗口（略）

　　對(duì)有源設(shè)備(磁盤驅(qū)動(dòng)器發(fā)射機(jī)和接收機(jī))測(cè)量，如果設(shè)備是AC耦合，那么可以使用上面的程序直接進(jìn)行測(cè)試。如果設(shè)備是DC耦合，那么設(shè)備應(yīng)在測(cè)試過程中保持休眠模式。如果不可能把設(shè)備置于休眠模式，那么在測(cè)試過程中使用DC阻塞電容器，在TDR測(cè)量中去掉設(shè)備信標(biāo)。

　　為測(cè)量有源設(shè)備上的回波損耗(Sdd11)，在一致性測(cè)試點(diǎn)上需要一個(gè)差分參考，在DUT加電時(shí)需要來自DUT的差分響應(yīng)。通過獲得開端反射，可以方便地獲得差分參考，最好是使用測(cè)試電路板上的專用結(jié)構(gòu)，其走線長(zhǎng)度與DUT走線相同，但沒有連接到SATA 連接器上(通過這種方式，可以保證在正確的一致性測(cè)試點(diǎn)上進(jìn)行測(cè)試)。當(dāng)示波器以差分模式運(yùn)行時(shí)，可以獲得示波器中正電壓通道和負(fù)電壓通道之差。在設(shè)備加電時(shí)，獲得差分DUT 響應(yīng)，以保證激活芯片上端接電阻器。下面的實(shí)例說明了對(duì)磁盤驅(qū)動(dòng)器發(fā)射機(jī)進(jìn)行的差分回波損耗測(cè)量。接收機(jī)的測(cè)量方式在很大程度上與此相同。

圖8 差分發(fā)射機(jī)回波損耗測(cè)量和獲得插入損耗要求的時(shí)域波形（略）

　　在共模測(cè)量中，要求共模參考和響應(yīng)TDR波形。共模參考使用SATA測(cè)試電路板上相同的參考開路走線獲得，是示波器設(shè)為共模激勵(lì)時(shí)示波器上正電壓通道和負(fù)電壓通道之和。下面的實(shí)例說明了硬驅(qū)接收機(jī)的這一測(cè)量，發(fā)射機(jī)的測(cè)量方式與此相同。

圖9 共模回波損耗測(cè)量和要求的時(shí)域波形（略）

　　阻抗平衡 (混合模式回波損耗或Sdc11) 在啟動(dòng)共模激勵(lì)時(shí)測(cè)得，參考波形是兩條通道上的電壓之和，而響應(yīng)則是兩條通道之差。在理想的阻抗平衡下，兩條通道之差在時(shí)域中應(yīng)該為0V，這種差值將非常清楚地捕獲失衡，然后可以把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到頻域中，顯示為Sdc11。

圖10 阻抗平衡測(cè)量和獲得測(cè)量損耗要求的時(shí)域波形（略）

　　對(duì)無源物理層，也可以使用IConnect測(cè)量插入損耗 (Sdd21)和頻域串?dāng)_ (Sdd21的另一種形式)。對(duì)內(nèi)部媒體，最大測(cè)試指標(biāo)是4.5 Ghz 以下時(shí)插入損耗為-6dB，在4.5 Ghz時(shí)串?dāng)_為-26 dB。所有這些測(cè)試都使用真正差分模式的TDS8200完成，即兩個(gè)信號(hào)源同時(shí)打開。真正差分測(cè)量特別有益于串?dāng)_測(cè)量，在TDNA中是簡(jiǎn)單得多的一項(xiàng)測(cè)量 (在VNA中，由于儀器的單端特點(diǎn)，只能在生成整個(gè)S矩陣時(shí)生成串?dāng)_測(cè)量)?？梢允褂么蠖鄶?shù)SATA無源測(cè)試電路板上的直傳參考走線，方便地獲得差分參考，其是示波器在差分模式下運(yùn)行時(shí)示波器正電壓通道與負(fù)電壓通道之差。
下面是SATA電纜組件的插入損耗測(cè)量結(jié)果。

圖11 插入損耗測(cè)量和獲得插入損耗要求的時(shí)域波形（略）

　　下面是頻域串?dāng)_測(cè)量實(shí)例。

圖12 頻域串?dāng)_測(cè)量和要求的時(shí)域串?dāng)_波形（略）

　　這兩個(gè)測(cè)量都表明DUT通過測(cè)試，這一設(shè)備在4.5 Ghz以下時(shí)的插入損耗不差于-3.12 dB，串?dāng)_不差于-37.1 dB。

最大ISI測(cè)量

　　使用IConnect (80SICON)可以有效執(zhí)行另一項(xiàng)測(cè)量是無源物理層設(shè)備上的最大ISI測(cè)試，如電纜組件。由于無源物理層中的確定性抖動(dòng)特點(diǎn)，在IConnect中可以把差分傳輸測(cè)量以SATA II速度轉(zhuǎn)換成眼圖，以測(cè)量確定性峰到峰抖動(dòng)(最大ISI)。在這一測(cè)量中，也可以隨時(shí)反裝夾具，因此IConnect成為非常高效的測(cè)量方法。SATA II規(guī)范規(guī)定：
對(duì)這一設(shè)置，觀察和記錄電纜夾具固有的RJ和DJ，直到所有SMA與電纜接續(xù)電路板上都應(yīng)存在的2X校準(zhǔn)/參考軌跡。

　　在IConnect中，與S參數(shù)測(cè)量一樣，測(cè)試夾具抖動(dòng)作為測(cè)量的一部分全面反嵌，然后可以在測(cè)試夾具輸入上連接差分碼型信號(hào)源。通過夾具以3.0Gbps速率生成單獨(dú)的碼型。

　　單獨(dú)的碼型定義如下：0011 0110 1111 0100 0010 0011 0110 1111 0100 0010。IConnect預(yù)先把其定義為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置之一，可以作為*.mts (mask) SATA-II文件的一部分加載。

　　使用JMD，評(píng)估電纜末端引入的確定性抖動(dòng)(DJ)。記住，測(cè)試夾具和激勵(lì)系統(tǒng)導(dǎo)致的確定性抖動(dòng)。由于從最終結(jié)果中不能去卷積入射(測(cè)試系統(tǒng)導(dǎo)致的) DJ，因此在執(zhí)行這一測(cè)量時(shí)使用優(yōu)質(zhì)(低抖動(dòng))夾具和激勵(lì)源至關(guān)重要。

　　可以在IConnect中簡(jiǎn)便地去卷積掉所有這些抖動(dòng)， 用戶不必?fù)?dān)心夾具對(duì)整體測(cè)量的影響。

　　此測(cè)量實(shí)例中，DUT的峰到峰抖動(dòng)測(cè)得為21 ps，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于SATA II的最大ISI要求。

圖13 最大ISI測(cè)量和要求的時(shí)域波形（略）

小結(jié)

　　本文演示了經(jīng)濟(jì)高效的SATA-II 一致性測(cè)試程序，重點(diǎn)是無源物理層 (磁盤驅(qū)動(dòng)器發(fā)射機(jī)/接收機(jī)通道和電纜組件)測(cè)試，以及測(cè)量有源設(shè)備的輸入回波損耗。用來測(cè)量回波損耗、插入損耗和頻域串?dāng)_的TDNA方法使這些測(cè)量快速、經(jīng)濟(jì)，并且不會(huì)損害要求的精度。最大ISI測(cè)量則進(jìn)一步使得測(cè)試工程師能夠在一個(gè)TDR平臺(tái)上，通過增加后期處理軟件，對(duì)SATA II進(jìn)行全套電纜組件測(cè)試。