Serial ATA II中S参数和确定性抖动一致性测试

evanwei

  SATA II频域测试
SATA II规范要求大量的测试，包括电缆和连接器(无源物理层)的时域测试、发射机和接收机的时域测试、电缆和连接器(无源物理层)的频域测试、发射机和接收机的频域测试等等。其中发射机和接收机的频域测试又包括：

a.Tx/Rx 差分回波损耗

b.Rx/Tx 共模回波损耗

c.Rx/Tx 阻抗平衡 (差模到共模转换)

表1提供了Tx/Rx频域测试的详细数据。

在SATA II规范中详细描述了所有时域测试。本应用指南将重点介绍频域测试，并在最后讨论最大码间干扰测试。

表1：Tx/Rx频域测试的详细数据（略）

S参数背景知识

S参数使用每个端口上的入射波和反射波定义。每个Sij 参数都是端口j上的反射(或发射)波与端口i上的入射波之比。

图1 Sij参数是j上的反射（或发射）波与端口上的入射波之比（略）

反射或传输通称为“散射”。如果假设发射功率为1/2|Vi+|2，那么每个端口上的电压可以定义为，V=V++V-，电流可以定义为I=I++I-。对可逆联接(如互连)，散射矩阵是对称的，即S21=S12。

尽管4端口是2端口定义的直接扩展，但对于4端口来说，图像要更加复杂。

图2 对4端口，在计算S参数矩阵时涉及更多的电压和电流值（略）

差分测量和共模测量是测试中的关键。差分测量在线路之间进行，共模测量则从捆在一起接地的多条线路中进行。

在实践中，激励和响应的类型决定着要考察的S参数类型。差分激励和差分响应定义了差分S参数象限，共模激励和响应定义了共模象限，差分激励和共模响应定义了差模到共模转换混合模式象限，共模激励和差分响应定义了共模到差模转换混合模式象限。

图3 差分S参数象限和共模象限（略）

得到的S参数矩阵如下：

(略)

S参数在不同程度上与数字设计相关。差分S参数象限与带宽和BER/抖动直接劣化有关。共模与偏移和地面反弹问题有关。混合模式则与电磁干扰(EMI，差模到共模转换)和电磁干扰灵敏度 (EMS，共模到差模转换)有关。但是，在查找EMI和EMS来源时，通过在时域中查看同一数据，可以产生直观得多的结果。另一方面，串扰是插入损耗 (S21)的一种形式，只不过串扰是从输入到输出没有直接连接的线路之间的插入损耗。
在数字设计中，S参数测量需求(TDNA或FDNA)主要源于需要检定互连通道的频域行为，以及许多标准中提出的一致性测试要求。一致性测试要求一般把测量限定在-30dB (SATA的频域串扰为-26dB)，互连通道分析要求的测量能力不超过-40 dB，因为在频域中，-40 dB大约相当于整个数字信号幅度的1%，如图4所示。

图4 在频域中，-40dB大约相当于整个数字信号幅度的1%（略）


时域网络分析(TDNA)

美国国家标准学会及美国和海外各种研究机构一直在全面研究时域网络分析(TDNA)，许多产品已经商用化时域网络分析技术。从概念上说，矢量网络分析仪(VNA)和TDNA实现的频域网络分析(FDNA)有明显的类似之处 (图5)。

图5 基于TDR的TDNA系统与VNA的概念框图（略）

其在概念上的主要差异是TDNA使用宽带步进类信号源，而VNA则使用窄带正弦波发生器。此外，TDNA是一种瞬态测量 (可以观察到所有转换)，而FDNA则是一种固态测量，即所有转换集总在一起，在单一频率上进行测量，并采用窄带滤波技术，最大限度地降低噪声效应。

VNA是为微波设计的，其目标应用包括微波滤波器和混频器设计。由于极高的动态范围，导致了人们需要开发出某些非常先进的校准程序(如短路-开路-负荷-直通(SOLT)或直通-反射-线路(TRL))，仪器的整体设计目标并不是简便易用，而是为了实现这种超高动态范围。因此频域成为微波设计的首选域。但是，正是使FDNA非常精确的这些校准程序，使得这些仪器使用起来要困难得多，在执行要求的测试时需要耗费的时间也多得多，在涉及生产测试时，这尤其不受工程师欢迎。

TDNA是作为TDR技术的延伸开发的。TDR对数字设计人员来说要比对微波设计人员更加直观，所以，把TDR转换成S参数数据对数字设计人员来说是一个直观简明的过程。尽管可以对TDNA应用高级校准(如SOLT和TRL)来改善精度，但这些程序使得TDNA测量的简便性和直观性大大下降。即使没有这些校准程序，TDNA的动态范围仍能达到-50到-60 dB的范围，足以适应数字设计或信号完整性中的典型测量，如图4所示。通过提高时域采集窗口中的点数和平均次数，可以改善TDNA的动态范围；提高平均次数和点数所起的作用与FDNA中的窄带滤波相同。从整体上看，业内已经广泛研究FDNA和TDNA之间的关系，并已经得到SATA标准的充分认可。再加上TDNA系统的成本明显低得多，TDNA解决方案为进行SATA 一致性测试提供了非常简便易用的解决方案。

还有一点需要指出，SATA II的一致性测试点采用的定义方式，使得全面配对的连接器必须是一致性测试的一部分。一致性测试点定义成在无源物理层测量中必须包括全面配对的连接器。必须反插SATA插座，不包括电路板上接插的连接器。尽管使用VNA完成这一任务并不是没有可能，但这种方法给VNA测量带来了另一层复杂性。同时，在TDNA中，校准容易(仅要求短路、开路或直传参考)使得工程师能够非常简便地反插SATA插座，为TDNA方法提供了另一个优势。从整体上看，如图6所示，夹具反插使VNA的精度优势荡然无存，而TDNA的易用性和高吞吐量优势完好无缺，使得TDNA方法对SATA II 一致性测试的吸引力大大提高。

图6 一致性测试点采用的定义方式（略）


进行特定频域SATA测试

使用TDNA方法执行频域SATA测试的典型设备包括：

1. 泰克TDS8200取样示波器

2. 两个80E04 TDR取样模块 (或80E04和80E03非TDR取样模块各一个)，以执行差分传输

3. 泰克IConnect TDR和VNA软件。IConnect S参数和Z-line (80SSPAR)对仅执行S参数测试足够了；进行最大ISI测试则要求全面配置的IConnect (80SICON)

4. 相应长度的SMA成套电缆

5. 两个SATA-II 无源测试夹具

在执行TDNA测量时，在采集窗口中包括与DUT对应的所有转换至关重要，这可以把瞬时时域测量正确转换成固态S参数测量。过早地截去窗口会产生低频错误；窗口太长则会不必要地降低测量的动态范围。
此外，时域采集窗口中只需包括测量的反射边沿，而入射边沿则在窗口之外。

图7 从TDNA方法中获得S参数的相应采集窗口（略）

对有源设备(磁盘驱动器发射机和接收机)测量，如果设备是AC耦合，那么可以使用上面的程序直接进行测试。如果设备是DC耦合，那么设备应在测试过程中保持休眠模式。如果不可能把设备置于休眠模式，那么在测试过程中使用DC阻塞电容器，在TDR测量中去掉设备信标。

为测量有源设备上的回波损耗(Sdd11)，在一致性测试点上需要一个差分参考，在DUT加电时需要来自DUT的差分响应。通过获得开端反射，可以方便地获得差分参考，最好是使用测试电路板上的专用结构，其走线长度与DUT走线相同，但没有连接到SATA 连接器上(通过这种方式，可以保证在正确的一致性测试点上进行测试)。当示波器以差分模式运行时，可以获得示波器中正电压通道和负电压通道之差。在设备加电时，获得差分DUT 响应，以保证激活芯片上端接电阻器。下面的实例说明了对磁盘驱动器发射机进行的差分回波损耗测量。接收机的测量方式在很大程度上与此相同。

图8 差分发射机回波损耗测量和获得插入损耗要求的时域波形（略）

在共模测量中，要求共模参考和响应TDR波形。共模参考使用SATA测试电路板上相同的参考开路走线获得，是示波器设为共模激励时示波器上正电压通道和负电压通道之和。下面的实例说明了硬驱接收机的这一测量，发射机的测量方式与此相同。

图9 共模回波损耗测量和要求的时域波形（略）

阻抗平衡 (混合模式回波损耗或Sdc11) 在启动共模激励时测得，参考波形是两条通道上的电压之和，而响应则是两条通道之差。在理想的阻抗平衡下，两条通道之差在时域中应该为0V，这种差值将非常清楚地捕获失衡，然后可以把数据转换到频域中，显示为Sdc11。

图10 阻抗平衡测量和获得测量损耗要求的时域波形（略）

对无源物理层，也可以使用IConnect测量插入损耗 (Sdd21)和频域串扰 (Sdd21的另一种形式)。对内部媒体，最大测试指标是4.5 Ghz 以下时插入损耗为-6dB，在4.5 Ghz时串扰为-26 dB。所有这些测试都使用真正差分模式的TDS8200完成，即两个信号源同时打开。真正差分测量特别有益于串扰测量，在TDNA中是简单得多的一项测量 (在VNA中，由于仪器的单端特点，只能在生成整个S矩阵时生成串扰测量)。可以使用大多数SATA无源测试电路板上的直传参考走线，方便地获得差分参考，其是示波器在差分模式下运行时示波器正电压通道与负电压通道之差。
下面是SATA电缆组件的插入损耗测量结果。

图11 插入损耗测量和获得插入损耗要求的时域波形（略）

下面是频域串扰测量实例。

图12 频域串扰测量和要求的时域串扰波形（略）

这两个测量都表明DUT通过测试，这一设备在4.5 Ghz以下时的插入损耗不差于-3.12 dB，串扰不差于-37.1 dB。

最大ISI测量

使用IConnect (80SICON)可以有效执行另一项测量是无源物理层设备上的最大ISI测试，如电缆组件。由于无源物理层中的确定性抖动特点，在IConnect中可以把差分传输测量以SATA II速度转换成眼图，以测量确定性峰到峰抖动(最大ISI)。在这一测量中，也可以随时反装夹具，因此IConnect成为非常高效的测量方法。SATA II规范规定：
对这一设置，观察和记录电缆夹具固有的RJ和DJ，直到所有SMA与电缆接续电路板上都应存在的2X校准/参考轨迹。

在IConnect中，与S参数测量一样，测试夹具抖动作为测量的一部分全面反嵌，然后可以在测试夹具输入上连接差分码型信号源。通过夹具以3.0Gbps速率生成单独的码型。

单独的码型定义如下：0011 0110 1111 0100 0010 0011 0110 1111 0100 0010。IConnect预先把其定义为标准设置之一，可以作为*.mts (mask) SATA-II文件的一部分加载。

使用JMD，评估电缆末端引入的确定性抖动(DJ)。记住，测试夹具和激励系统导致的确定性抖动。由于从最终结果中不能去卷积入射(测试系统导致的) DJ，因此在执行这一测量时使用优质(低抖动)夹具和激励源至关重要。

可以在IConnect中简便地去卷积掉所有这些抖动， 用户不必担心夹具对整体测量的影响。

此测量实例中，DUT的峰到峰抖动测得为21 ps，远远低于SATA II的最大ISI要求。

图13 最大ISI测量和要求的时域波形（略）



小结

本文演示了经济高效的SATA-II 一致性测试程序，重点是无源物理层 (磁盘驱动器发射机/接收机通道和电缆组件)测试，以及测量有源设备的输入回波损耗。用来测量回波损耗、插入损耗和频域串扰的TDNA方法使这些测量快速、经济，并且不会损害要求的精度。最大ISI测量则进一步使得测试工程师能够在一个TDR平台上，通过增加后期处理软件，对SATA II进行全套电缆组件测试。


《世界电子元器件》2006.8