智能手机信号完整性测试
【2012智能手机开发者论坛精彩笔录】

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本文整理自美国力科公司汪进进在2012智能手机、平板电脑与LED照明开发者论坛上的演讲。

各位朋友，大家早上好，非常感谢来参加智能手机这个论坛，非常感谢我爱方案网提供这样一个平台。因为背景噪声很大，我要把我的声音提高到80分贝才能让大家听到。我叫汪进进，上面有我的EMAIL和我的电话号码。


 

关于信号完整性是这几年谈的比较热的一个话题，比如SI、PI的。关于SI一个非常有名的名言，说在这个世界上只有两种类型的工程师，一种是正在遇到SI问题，一种是即将要遇到。


 

什么叫SI呢？所谓的SI就是说信号在传输过程中能够保持在时域和频域特性的能力。这个假设是一个数字信号来讲，我这个地方发生的是1，对方的接收的是不是还是1，我这边发的0，对方收到是不是0？我希望在发和收的时候不仅是把1和0能够保证，还要保证上升下降的边沿和对应的时钟之间的（1：28这样才能保证正确的采样，所以SI测量，设计师比较关心哪些方面？）


 

第一，保证信号能被正确的接收。所以要关心你信号的波形，关心它的时序，关心信号质量的眼图，关心它的抖动等等。
第二，要看信号在过程中是否没有受到干扰，要关心通道之间的串扰，通道和通道之间的串扰。恩
第三，要关心这个信号是否会破坏其他的设备，要关心这些信号会不会污染环境，这是EMC方面的一些问题。


 

这是我们作为一个硬件工程师每天工作要面对这些方面，怎么保证信号高保真的传输。主要的问题，就像这个波形而言，我们要关心的是这个波形的幅度，（2：32   能不能被正确的识别，这个地方的过冲会不会导致？）而且要关注这个上升沿的过程中这个沿又变得太缓，导致这个地方时序上出错了。本来在这个上升沿需要地形采样，但是比如有这么大的一个延迟，所以到这一点就没有被采样，这就是由于时域关系带来的一些。所以我们刚才要测建立时间和保持时间，要保证你的接收能够正确的采样，所以这是SI关心的问题。


 

我们知道涉及到SI的话题很广，主要包括三个方面，一是电力的测量方面，再一个方面就是PCB的（3：18  方面，再一个就是信号保证）方面。其实你要掌握这三个方面才能算比较完整的掌握这个SI方面的内容。

我们主要谈的是示波器在SI方面它能够做哪些事情，还有一个是波形测量、时序测量、眼图测量、抖动测量以及频谱测量，主要测量这五个方面。


 

针对智能手机SI测量，主要也是五个方面：

第一，我们要判断智能手机这里面的电源的供电是否稳定，也就是它电源纹波的测量是目前比较热点的话题。

第二，关心时钟信号的测量，时钟是不是稳定的。

其实大而化之，任何一个电子产品都离不开这两个方面的测量，电源和时钟。如果这两个方面都没有问题，我们再考虑下一步的一些接口的测试，各种高速接口的测试。

对手机而言，这里面有USB2.0接口，有MIPI接口，还有现在比较流行的MHL接口，这是手机里面的三种接口。还有一点是DDR的测量，目前手机上也是非常多。

手机的一个最大特点是什么呢？非常小的体积，所以它的密度非常大，所以它的信号非常容易会受到干扰，所以我们要关心这些测试。还有就是要关心通道测试，还有关心你的USB的连接线缆的测试，关心无源的器件测试和无源的PCB等的测试，离不开这五个方面，相应的示波器就要TDR相关的设备来做这方面的测量。


 

首先，谈到电源测量，这是一个非常热的话题，关于电源测量我们掌握四个基本的原则，一个原则是对我们多数人而言，我们建议大家要把这个带宽限制在20MHZ，因为对于开关电源而言，它的开关频率一般是1MHZ以内的，我们需要把它高频的部分，乃至于空间耦合的一些噪声要过滤掉，所以要限制带宽。再就是示波器要注意量化误差，把吴堡起的量化误差打到最小，也就是说这时候你需要用到1：1探头，不能够用一个普遍的无源探头去测量这个纹波，我们需要一个1：1的探头，把那个探头给它拔掉，用电缆来测，这样的话可以使你的示波器量程达到2毫伏/格或者1毫伏/格，才能测量4毫伏以下的电压。
要注意探头尽可能的短，四个接口的原则在测量电源纹波的时候一定要注意。为什么要关注量化误差呢？因为我们知道普遍的示波器它的ADC只有8位，如果只有8位的时候，可能导致里面的信号不能正式被发源。如果你是一个纹波，如果你一个比特，如果你把示波器连成，达到了1伏/格，意味着在1伏/格的时候整个示波器量程是8伏，所以你的每一个小格代表的电压就是31.3毫伏了，我说的一小格不是说示波器小格，是你的一个O不一样，2的8次方等于256个0和1，1101跳变到1100，这样一个跳变，电压理论来讲，差了31毫伏，也就是说31毫伏的电压的变化对示波器而言是看不出来的。所以这时候你把你的示波器量程打到很小很小，给它打到2毫伏/格，在整个示波器最小的分辨率可以到62.5V伏，这样才能够比较好的测到电源纹波。


 

另外的检测方案是什么呢？假设我们有一个更高分辨率的示波器，有一个12位的ADC的示波器。12位的示波器是什么概念呢？意味着您的电压会被2的12次方等于4096个0和1来进行分解。所以它可以把过去只有8位的示波器不能够分解的信号它可以比较好的实行分解。这样对相同的信号，我可以把它分解到3.09V伏，你去测量这个电源纹波就测的比较准。


 

我们看一个例子，假设我们没有经过限制，它测的这个纹波是21毫伏，我们把它的量程打小，量程变小之后这个纹波会测到2.8毫伏，这个值会测的更小，所以是2.8毫伏，这时我们要尽可能的使得这个量程要越小越好。

我刚才说了我建议大家要用这个cable来测量，使得你这个量化误差才能做到最小。如果您有一个12位的示波器，它会给您带来什么好处呢？这是12位的示波器测量的结果，这是8位示波器测量的结果，对相同的信号有不同量程的示波器，测的结果差别很大。如果8位的示波器测的结果做这个FFT可能看不清楚，这里噪声又很多，当时如果用8位的看不出这些噪声频谱。


 

有的时候如果没有一个好的示波器，你肯定在跟你的同事们在讨论到底我应该消除这个纹波还是消除这个噪声，其实这些噪声都是来自于测量带来的变化误差，并不是信号正式中带有的，正式的信号没有这样大的噪声，这是12位示波器的一个好处。我做这个实验，如果我们用8位的示波器，测1.7伏的电源纹波，测的结果是32毫伏，如果用12位的示波器，它测量结果到20毫伏，这个结果会精确很多，会小很多。


 

关于测量的第二个要点就是眼图测量，过去可能大家用过眼图示波器的采样示波器测过眼图，传统的眼图测量方法是什么呢？通过波段的触发，再叠加的方法。怎么叫触发叠加呢？我先要找到一个和我被测的信号同步的时钟，用这个时钟的边沿作为触发源，不断的触发，叠加，触发，叠加。这种方法每次只能用1个UI，触发一次，叠加一次，触发一次，叠加一次。它触发一次，形成一个UI的眼图，这样形成眼图的效率很低。


 

现在我们很多信号，包括要求要做100万的UI的眼图，这个眼图的样本的个数要到100万个，触发叠加的方法它形成的眼图效率很低，所以我触发100万次，可能要一个小时、两个小时。所以现在我们有一个新的方法，叫同步切割，再叠加显示。


 

那是什么概念呢？我们现在是一次捕获一组很长的串行信号，然后用软件的PLL的方法能够恢复出时钟，恢复的时钟和过去原始的信号按照比特位进行切割，不断在切割，叠加，切割，叠加。第一次我们捕获到一组数据，然后我们这个数据还原成它的这个时钟，这个时钟按照这个比特位来对齐切割，要不断切割，叠加，然后产生这样一个眼图。


 

这个形成眼图的方法效率就会比过去传统的方法要高很多，而且它没有触发抖动，也没有CDR抖动。如果你的信号不是连续的，你的CPI就不能够正常的工作，也不能够产生一个正确的硬件时钟，这时候你的触发就出错了。现在的方法，一组局部的信号产生一个时钟来进行切割，所以它就没有这个限制，所以传统的方法现在基本上被淘汰了。


 

关于抖动测量，上面这个话题经常被问起。我经常遇到这样一个问题，你们的示波器能不能测（余恢  13：19）就是能不能看信号的波动，测（余恢）是抖动测量比较粗糙的一个原始的方法，你看我信号波动的范围，这也可以是一种抖动，这个抖动能够测量脉宽的抖动或者说是一种周期的抖动，其实抖动远没有这么简单。


 

什么叫抖动呢？我们要掌握四个维度，四个方面：

第一、你是测量什么信号的抖动。如果是测量时钟抖动，还是数据抖动，时钟抖动和数据抖动的测量方法不太一样。虽然我们可以说任何一个时钟都可以看作是一个特别的数据，测量数据抖动的方法都可以用在时钟抖动上面，但它两个测量方法还是不太一样。

第二，你要测量什么参数的抖动。你是关于TIE抖动，还是关心周期抖动，还是关心的Cycle  to  Cycle抖动呢？还是关心的是半个周期的抖动呢？这是关心的是不同的测量参数的抖动。

第三，你是要关心的是峰峰值抖动，还是有效值抖动。

第四，你是测量多少（样本下的抖动。因为抖动是一个关于  物码力 14：36  的函数，你可以在（物码力）这个概念来谈抖动是没有意义的，一定要讲是多少（物码力）下的抖动，换句话说，你要测量多少样本）下的抖动，我们要知道这个样本数。


 

另外一个概念，就是整体抖动和随机抖动。整体的抖动是什么意思呢？它表示是10的12次立方样本下的峰峰值抖动。所以它实际上是测10的12次方的样本，认为10的12次方的样本是很难能够去用示波器直接测量的，所以一般是通过测量到一定的样本数的抖动，推测未来10的12次方样本抖动会是多少。
另外，我们如果要测量PCB或者是cable的特性，我们需要SPARQ，测量它的TDR，或者是测量它的参数损耗、回波损耗等等，需要用SPARQ的仪器，它是一个一键操作的，40GHz带宽，4端口的测量仪器。


 

另外，我们通常需要所谓的要出报告的这么一个测试方案，你看我自动产生一个USB测试报告，自动产生一个（英文  15：56    测试报告，自动产生一个？）示波器能够自动产生这个报告。这个报告里面可以告诉你它当前的测量效果，每项的测量内容是什么，它是否符合这个规范，它对应的规范是哪一条。


 

再一个就是要测TDR，TDR的测量目前也是遇到非常多的问题，因为TDR的信号是闭型信号，它现在速度变得非常高，这时它非常容易受到干扰，如果我们需要测量TDR的建立时间、保持时间以及读写进行分离，测量TDR读写分离之后的眼图，这是目前业界比较关注的一个话题。我跟大家分享的内容就这么多。