Serial ATA II中S參數和確定性抖動(dòng)一致性測試

SATA II頻域測試

　　SATA II規范要求大量的測試，包括電纜和連接器(無(wú)源物理層)的時(shí)域測試、發(fā)射機和接收機的時(shí)域測試、電纜和連接器(無(wú)源物理層)的頻域測試、發(fā)射機和接收機的頻域測試等等。其中發(fā)射機和接收機的頻域測試又包括：

a.Tx/Rx 差分回波損耗

b.Rx/Tx 共?；夭〒p耗

c.Rx/Tx 阻抗平衡 (差模到共模轉換)

表1提供了Tx/Rx頻域測試的詳細數據。

　　在SATA II規范中詳細描述了所有時(shí)域測試。本應用指南將重點(diǎn)介紹頻域測試，并在最后討論最大碼間干擾測試。

表1：Tx/Rx頻域測試的詳細數據（略）

S參數背景知識

　　S參數使用每個(gè)端口上的入射波和反射波定義。每個(gè)Sij 參數都是端口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(chēng)為“散射”。如果假設發(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-。對可逆聯(lián)接(如互連)，散射矩陣是對稱(chēng)的，即S21=S12。

　　盡管4端口是2端口定義的直接擴展，但對于4端口來(lái)說(shuō)，圖像要更加復雜。

圖2 對4端口，在計算S參數矩陣時(shí)涉及更多的電壓和電流值（略）

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

　　在實(shí)踐中，激勵和響應的類(lèi)型決定著(zhù)要考察的S參數類(lèi)型。差分激勵和差分響應定義了差分S參數象限，共模激勵和響應定義了共模象限，差分激勵和共模響應定義了差模到共模轉換混合模式象限，共模激勵和差分響應定義了共模到差模轉換混合模式象限。

圖3 差分S參數象限和共模象限（略）

　　得到的S參數矩陣如下：

(略)

　　S參數在不同程度上與數字設計相關(guān)。差分S參數象限與帶寬和BER/抖動(dòng)直接劣化有關(guān)。共模與偏移和地面反彈問(wèn)題有關(guān)?；旌夏Ｊ絼t與電磁干擾(EMI，差模到共模轉換)和電磁干擾靈敏度 (EMS，共模到差模轉換)有關(guān)。但是，在查找EMI和EMS來(lái)源時(shí)，通過(guò)在時(shí)域中查看同一數據，可以產(chǎn)生直觀(guān)得多的結果。另一方面，串擾是插入損耗 (S21)的一種形式，只不過(guò)串擾是從輸入到輸出沒(méi)有直接連接的線(xiàn)路之間的插入損耗。
在數字設計中，S參數測量需求(TDNA或FDNA)主要源于需要檢定互連通道的頻域行為，以及許多標準中提出的一致性測試要求。一致性測試要求一般把測量限定在-30dB (SATA的頻域串擾為-26dB)，互連通道分析要求的測量能力不超過(guò)-40 dB，因為在頻域中，-40 dB大約相當于整個(gè)數字信號幅度的1%，如圖4所示。

圖4 在頻域中，-40dB大約相當于整個(gè)數字信號幅度的1%（略）

時(shí)域網(wǎng)絡(luò )分析(TDNA)

　　美國國家標準學(xué)會(huì )及美國和海外各種研究機構一直在全面研究時(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(shuō)，矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀(VNA)和TDNA實(shí)現的頻域網(wǎng)絡(luò )分析(FDNA)有明顯的類(lèi)似之處 (圖5)。

圖5 基于TDR的TDNA系統與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(lèi)信號源，而VNA則使用窄帶正弦波發(fā)生器。此外，TDNA是一種瞬態(tài)測量 (可以觀(guān)察到所有轉換)，而FDNA則是一種固態(tài)測量，即所有轉換集總在一起，在單一頻率上進(jìn)行測量，并采用窄帶濾波技術(shù)，最大限度地降低噪聲效應。

　　VNA是為微波設計的，其目標應用包括微波濾波器和混頻器設計。由于極高的動(dòng)態(tài)范圍，導致了人們需要開(kāi)發(fā)出某些非常先進(jìn)的校準程序(如短路-開(kāi)路-負荷-直通(SOLT)或直通-反射-線(xiàn)路(TRL))，儀器的整體設計目標并不是簡(jiǎn)便易用，而是為了實(shí)現這種超高動(dòng)態(tài)范圍。因此頻域成為微波設計的首選域。但是，正是使FDNA非常精確的這些校準程序，使得這些儀器使用起來(lái)要困難得多，在執行要求的測試時(shí)需要耗費的時(shí)間也多得多，在涉及生產(chǎn)測試時(shí)，這尤其不受工程師歡迎。

　　TDNA是作為T(mén)DR技術(shù)的延伸開(kāi)發(fā)的。TDR對數字設計人員來(lái)說(shuō)要比對微波設計人員更加直觀(guān)，所以，把TDR轉換成S參數數據對數字設計人員來(lái)說(shuō)是一個(gè)直觀(guān)簡(jiǎn)明的過(guò)程。盡管可以對TDNA應用高級校準(如SOLT和TRL)來(lái)改善精度，但這些程序使得TDNA測量的簡(jiǎn)便性和直觀(guān)性大大下降。即使沒(méi)有這些校準程序，TDNA的動(dòng)態(tài)范圍仍能達到-50到-60 dB的范圍，足以適應數字設計或信號完整性中的典型測量，如圖4所示。通過(guò)提高時(shí)域采集窗口中的點(diǎn)數和平均次數，可以改善TDNA的動(dòng)態(tài)范圍；提高平均次數和點(diǎn)數所起的作用與FDNA中的窄帶濾波相同。從整體上看，業(yè)內已經(jīng)廣泛研究FDNA和TDNA之間的關(guān)系，并已經(jīng)得到SATA標準的充分認可。再加上TDNA系統的成本明顯低得多，TDNA解決方案為進(jìn)行SATA 一致性測試提供了非常簡(jiǎn)便易用的解決方案。

　　還有一點(diǎn)需要指出，SATA II的一致性測試點(diǎn)采用的定義方式，使得全面配對的連接器必須是一致性測試的一部分。一致性測試點(diǎn)定義成在無(wú)源物理層測量中必須包括全面配對的連接器。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(méi)有可能，但這種方法給VNA測量帶來(lái)了另一層復雜性。同時(shí)，在TDNA中，校準容易(僅要求短路、開(kāi)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T(mén)DNA方法提供了另一個(gè)優(yōu)勢。從整體上看，如圖6所示，夾具反插使VNA的精度優(yōu)勢蕩然無(wú)存，而TDNA的易用性和高吞吐量?jì)?yōu)勢完好無(wú)缺，使得TDNA方法對SATA II 一致性測試的吸引力大大提高。

圖6 一致性測試點(diǎn)采用的定義方式（略）

進(jìn)行特定頻域SATA測試

　　使用TDNA方法執行頻域SATA測試的典型設備包括：

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))，以執行差分傳輸

3. 泰克IConnect TDR和VNA軟件。IConnect S參數和Z-line (80SSPAR)對僅執行S參數測試足夠了；進(jìn)行最大ISI測試則要求全面配置的IConnect (80SICON)

4. 相應長(cháng)度的SMA成套電纜

5. 兩個(gè)SATA-II 無(wú)源測試夾具

　　在執行TDNA測量時(shí)，在采集窗口中包括與DUT對應的所有轉換至關(guān)重要，這可以把瞬時(shí)時(shí)域測量正確轉換成固態(tài)S參數測量。過(guò)早地截去窗口會(huì )產(chǎn)生低頻錯誤；窗口太長(cháng)則會(huì )不必要地降低測量的動(dòng)態(tài)范圍。
此外，時(shí)域采集窗口中只需包括測量的反射邊沿，而入射邊沿則在窗口之外。

圖7 從TDNA方法中獲得S參數的相應采集窗口（略）

　　對有源設備(磁盤(pán)驅動(dòng)器發(fā)射機和接收機)測量，如果設備是AC耦合，那么可以使用上面的程序直接進(jìn)行測試。如果設備是DC耦合，那么設備應在測試過(guò)程中保持休眠模式。如果不可能把設備置于休眠模式，那么在測試過(guò)程中使用DC阻塞電容器，在TDR測量中去掉設備信標。

　　為測量有源設備上的回波損耗(Sdd11)，在一致性測試點(diǎn)上需要一個(gè)差分參考，在DUT加電時(shí)需要來(lái)自DUT的差分響應。通過(guò)獲得開(kāi)端反射，可以方便地獲得差分參考，最好是使用測試電路板上的專(zhuān)用結構，其走線(xiàn)長(cháng)度與DUT走線(xiàn)相同，但沒(méi)有連接到SATA 連接器上(通過(guò)這種方式，可以保證在正確的一致性測試點(diǎn)上進(jìn)行測試)。當示波器以差分模式運行時(shí)，可以獲得示波器中正電壓通道和負電壓通道之差。在設備加電時(shí)，獲得差分DUT 響應，以保證激活芯片上端接電阻器。下面的實(shí)例說(shuō)明了對磁盤(pán)驅動(dòng)器發(fā)射機進(jìn)行的差分回波損耗測量。接收機的測量方式在很大程度上與此相同。

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

　　在共模測量中，要求共模參考和響應TDR波形。共模參考使用SATA測試電路板上相同的參考開(kāi)路走線(xiàn)獲得，是示波器設為共模激勵時(shí)示波器上正電壓通道和負電壓通道之和。下面的實(shí)例說(shuō)明了硬驅接收機的這一測量，發(fā)射機的測量方式與此相同。

圖9 共?；夭〒p耗測量和要求的時(shí)域波形（略）

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

圖10 阻抗平衡測量和獲得測量損耗要求的時(shí)域波形（略）

　　對無(wú)源物理層，也可以使用IConnect測量插入損耗 (Sdd21)和頻域串擾 (Sdd21的另一種形式)。對內部媒體，最大測試指標是4.5 Ghz 以下時(shí)插入損耗為-6dB，在4.5 Ghz時(shí)串擾為-26 dB。所有這些測試都使用真正差分模式的TDS8200完成，即兩個(gè)信號源同時(shí)打開(kāi)。真正差分測量特別有益于串擾測量，在TDNA中是簡(jiǎn)單得多的一項測量 (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)生成串擾測量)?？梢允褂么蠖鄶礢ATA無(wú)源測試電路板上的直傳參考走線(xiàn)，方便地獲得差分參考，其是示波器在差分模式下運行時(shí)示波器正電壓通道與負電壓通道之差。
下面是SATA電纜組件的插入損耗測量結果。

圖11 插入損耗測量和獲得插入損耗要求的時(shí)域波形（略）

　　下面是頻域串擾測量實(shí)例。

圖12 頻域串擾測量和要求的時(shí)域串擾波形（略）

　　這兩個(gè)測量都表明DUT通過(guò)測試，這一設備在4.5 Ghz以下時(shí)的插入損耗不差于-3.12 dB，串擾不差于-37.1 dB。

最大ISI測量

　　使用IConnect (80SICON)可以有效執行另一項測量是無(wú)源物理層設備上的最大ISI測試，如電纜組件。由于無(wú)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量以SATA II速度轉換成眼圖，以測量確定性峰到峰抖動(dòng)(最大ISI)。在這一測量中，也可以隨時(shí)反裝夾具，因此IConnect成為非常高效的測量方法。SATA II規范規定：
對這一設置，觀(guān)察和記錄電纜夾具固有的RJ和DJ，直到所有SMA與電纜接續電路板上都應存在的2X校準/參考軌跡。

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

　　單獨的碼型定義如下：0011 0110 1111 0100 0010 0011 0110 1111 0100 0010。IConnect預先把其定義為標準設置之一，可以作為*.mts (mask) SATA-II文件的一部分加載。

　　使用JMD，評估電纜末端引入的確定性抖動(dòng)(DJ)。記住，測試夾具和激勵系統導致的確定性抖動(dòng)。由于從最終結果中不能去卷積入射(測試系統導致的) DJ，因此在執行這一測量時(shí)使用優(yōu)質(zhì)(低抖動(dòng))夾具和激勵源至關(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(hù)不必擔心夾具對整體測量的影響。

　　此測量實(shí)例中，DUT的峰到峰抖動(dòng)測得為21 ps，遠遠低于SATA II的最大ISI要求。

圖13 最大ISI測量和要求的時(shí)域波形（略）

小結

　　本文演示了經(jīng)濟高效的SATA-II 一致性測試程序，重點(diǎn)是無(wú)源物理層 (磁盤(pán)驅動(dòng)器發(fā)射機/接收機通道和電纜組件)測試，以及測量有源設備的輸入回波損耗。用來(lái)測量回波損耗、插入損耗和頻域串擾的TDNA方法使這些測量快速、經(jīng)濟，并且不會(huì )損害要求的精度。最大ISI測量則進(jìn)一步使得測試工程師能夠在一個(gè)TDR平臺上，通過(guò)增加后期處理軟件，對SATA II進(jìn)行全套電纜組件測試。