眼圖醫(yī)生（Eye Doctor）是力科于2006年推出的用于高速串行數(shù)字電路設(shè)計(jì)的強(qiáng)大工具,，包括了虛擬探測(cè)（virtual probing）與接收端均衡（receiver equalization）兩部分,，主要用于通訊背板設(shè)計(jì)、高速串行信號(hào)一致性測(cè)試,、高速SERDES芯片均衡器的優(yōu)化與設(shè)計(jì)等等,。在2009年2月，力科發(fā)布了新一代的眼圖醫(yī)生II,，提供了更強(qiáng)大的分析能力與良好人機(jī)界面,，可以大大加快當(dāng)前流行的高速數(shù)字電路的開發(fā)速度，縮短測(cè)試與驗(yàn)證時(shí)間,。接下來(lái)逐一介紹最新的眼圖醫(yī)生的功能與應(yīng)用,。

串行數(shù)字電路可以分為發(fā)送端（TX）、信道（CHANNEL）,、接收端（RX）三部分,，如下圖一所示。眼圖醫(yī)生可以對(duì)串行數(shù)字鏈路中三個(gè)部分進(jìn)行分析：

1.         發(fā)送端的預(yù)加重/去加重分析：針對(duì)某一信道計(jì)算出最佳的預(yù)加重/去加重參數(shù),。

2.         信道仿真：直接測(cè)試TX輸出的波形,，輸入信道的S參數(shù)模型后，準(zhǔn)確計(jì)算出RX端的波形,。

3.         接收端的均衡器設(shè)計(jì)：對(duì)于高于5Gbps的信號(hào)，通常在RX端測(cè)試時(shí),，眼圖已閉合,，眼圖醫(yī)生可以仿真均衡器，計(jì)算出均衡后的信號(hào)波形與眼圖,。

圖一：高速串行鏈路示意圖

什么是信道,？

在通信理論中通常用“信道”來(lái)描述連接TX與RX的物理媒質(zhì)，在某些SI（信號(hào)完整性）文獻(xiàn)中,，又稱為互連,。信道包括了我們常見的：印刷電路板（PCB）上的微帶線、帶狀線,、過(guò)孔,、連接器,、集成電路的封裝、光纖,、電纜等等,。如下圖二所示為背板的示意圖。通常,，信道有一個(gè)共同的特點(diǎn)：隨著頻率的升高,，損耗越來(lái)越大；信道的物理傳輸距離越長(zhǎng),，損耗越大,。

圖二：背板的互連示意圖

接下來(lái)為某背板的測(cè)試案例。其TX為某2.5Gbps的高速芯片,，信道由兩塊線卡與背板組成,，其PCB上傳輸線的有10英寸長(zhǎng)、20英寸長(zhǎng),、30英寸長(zhǎng),、40英寸長(zhǎng)四組，在接收端測(cè)量眼圖（如圖三所示）,，使用游標(biāo)測(cè)量眼高（眼圖的張開程度）,，分別為592mV、457mV,、295mV,、164mV?？梢?，隨著PCB上傳輸線的長(zhǎng)度的增加，信道的損耗越來(lái)越大,，RX端測(cè)量到的眼圖的眼高越來(lái)越小,。

圖三：不同背板走線長(zhǎng)度的接收端眼圖測(cè)試結(jié)果對(duì)比

什么是信道仿真？

信道仿真是用力科示波器測(cè)量TX發(fā)送的波形,，然后在眼圖醫(yī)生中導(dǎo)入信道的S參數(shù)模型文件,，計(jì)算出通過(guò)信道后RX端的信號(hào)波形、眼圖與抖動(dòng),。力科信道仿真的處理速度非?？臁⒕茸銐蚋?。

下圖中TX為某3.125Gbps信號(hào),，通過(guò)同軸電纜連接到示波器的兩個(gè)通道，即示波器直接在TX端測(cè)量，然后使用某20GHz帶寬的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（Vector Network Analyzer,，簡(jiǎn)稱VNA）測(cè)量?jī)蓧K走線長(zhǎng)度不一樣的DEMO板的S參數(shù),，在力科的眼圖醫(yī)生中調(diào)用S參數(shù)來(lái)仿真該信道。計(jì)算出RX端的波形與眼圖,，眼圖如下圖四所示,，左邊是某廠商的20英寸長(zhǎng)DEMO板接收端的眼圖，右邊為另一廠商的24英寸線長(zhǎng)DEMO板計(jì)算出的RX的眼圖,。兩者的眼高分別為168mV與108mV,。

使用信道仿真，無(wú)須連接TX,、信道,、RX后在RX端實(shí)測(cè)，只要擁有信道的S參數(shù)模型,，示波器直接在TX端測(cè)量,，就可以仿真出通過(guò)不同信道后RX端的波形、眼圖與抖動(dòng),。這樣,，就可以快速驗(yàn)證某高速SERDES芯片驅(qū)動(dòng)不同長(zhǎng)度傳輸線時(shí)接收端的性能，在高速背板的預(yù)研與設(shè)計(jì)中非常有用,。

圖四：某3.125Gbps信號(hào)的接收端眼圖測(cè)試結(jié)果對(duì)比

怎樣得到信道的S參數(shù)文件,？

在信道仿真中，信道的S參數(shù)模型的精確性決定了RX端計(jì)算結(jié)果的精確性,，所以獲得足夠精確的信道的S參數(shù)模型非常重要,。在信號(hào)完整性（簡(jiǎn)稱SI）領(lǐng)域，通常有兩種方法獲取信道的S參數(shù)模型,。

1.         使用VNA或者TDR直接測(cè)量信道的S參數(shù),；

2.         使用HFSS、SIwave,、Sigrity等EDA建模軟件提取信道的S參數(shù),；

前者基于實(shí)際信道的測(cè)量，精度高,，不過(guò)信道上的端口必需留有SMA射頻頭,，VNA或TDR通過(guò)SMA接頭的同軸電纜連接到待測(cè)試信道；后者通?；谶B接器的三維結(jié)構(gòu)、PCB的壓板結(jié)構(gòu)（stackup）,、介質(zhì)特性,、傳輸線的幾何特性，使用計(jì)算電磁學(xué)的一些算法提取出信道的S參數(shù)模型。

圖五：夾具去嵌前后眼圖對(duì)比力科的信道仿真可以調(diào)入擴(kuò)展名為*.sNp（N為端口數(shù)）的S參數(shù)文件,，通常*.sNp文件稱為touchstone文件,，測(cè)試儀器和EDA軟件都可以輸出這個(gè)格式的S參數(shù)文件。關(guān)于S參數(shù)的相關(guān)理論,，可參考一些射頻理論書籍,。

什么是夾具去嵌？

在測(cè)量當(dāng)前流行的很多串行信號(hào)（比如PCIe,、SATA,、SAS、FBDIMM）時(shí),，通常需要專門的測(cè)試夾具,，夾具上把PCB的傳輸線轉(zhuǎn)換為SMA射頻連接頭，待測(cè)試信號(hào)連接到夾具上,，夾具通過(guò)同軸電纜連接到示波器,，如下圖五所示，示波器作為接收端進(jìn)行測(cè)量,。由于夾具上的連接器,、金手指、過(guò)孔,、微帶線,、帶狀線等會(huì)使信號(hào)發(fā)生衰減、色散或者反射,，導(dǎo)致示波器測(cè)量到的信號(hào)有所惡化,。使用夾具去嵌功能，只需輸入夾具的S參數(shù)模型文件,，即可計(jì)算出沒(méi)有夾具時(shí)測(cè)量到的信號(hào)的波形與眼圖,。如圖五所示，上半部分是信號(hào)去嵌前測(cè)量到的眼圖,，下半部分是信號(hào)去嵌后測(cè)量到的眼圖,，相比前者，后者的上升下降沿更陡峭,，眼輪廓清晰,，眼張得更開。從這個(gè)比較圖中可以看到力科的去嵌技術(shù)可以消除夾具的負(fù)面作用,。

信道仿真的常見問(wèn)題

問(wèn)題1：力科的信道仿真與EDA軟件仿真有什么區(qū)別,？

和力科的眼圖醫(yī)生一樣，EDA軟件同樣可以做信道仿真,、均衡器仿真,。兩種最主要的區(qū)別在于：

1.         力科的信道仿真和均衡器仿真速度非?？欤趲酌腌妰?nèi)就可以計(jì)算出幾百微秒長(zhǎng)的波形,，幾乎可以做到實(shí)時(shí)測(cè)量,，實(shí)時(shí)計(jì)算出結(jié)果；而EDA軟件的計(jì)算速度較慢,，計(jì)算幾百納秒長(zhǎng)的波形通常需要幾十分鐘,。兩種方法的速度有天壤之別。

2.         力科的信道仿真基于實(shí)測(cè),，電路板上很多隨機(jī)因素都考慮進(jìn)去了,，而EDA軟件仿真通常基于理想的工作狀況,，忽略了一些隨機(jī)因素,。

問(wèn)題2：信道仿真的精度？

信道仿真的精度取決于信道的S參數(shù)模型是否足夠精確,。在下圖為某IC廠商驗(yàn)證其SAS2芯片驅(qū)動(dòng)背板的測(cè)試結(jié)果,。其中一個(gè)波形是用力科示波器在TX端測(cè)試，用信道仿真計(jì)算出的RX端的波形,，另一個(gè)波形是示波器直接在RX端測(cè)量到的波形,，可見兩者非常接近。信道的S參數(shù)由某20G帶寬VNA測(cè)量得到,。

圖六：某SAS信號(hào)在RX實(shí)測(cè)與TX測(cè)試后用信道仿真計(jì)算RX端信號(hào)波形的對(duì)比 

什么是預(yù)加重/去加重（Pre-emphasis/De-emphasis）,？

在圖三中我們看到，對(duì)于2.5Gbps信號(hào),，通過(guò)10,、20、30,、40英寸線長(zhǎng)的背板后,，接收端的眼圖隨著長(zhǎng)度增加會(huì)逐漸閉合。原因在于信道是一個(gè)低通濾波器,，隨著傳輸線長(zhǎng)度的增加,，損耗和色散會(huì)越來(lái)越大，另外,，隨著頻率的增加,，損耗與色散效應(yīng)也越來(lái)越明顯。而當(dāng)前的數(shù)字電路速度不斷提高,，通常,，在速率高于1GHz的數(shù)字電路中，為了把信號(hào)能傳輸更遠(yuǎn)的距離,，通常在發(fā)送端使用預(yù)加重或去加重的均衡技術(shù),。

在下圖七中左半部分是預(yù)加重,。預(yù)加重保持信號(hào)的低頻部分不變，提升信號(hào)的高頻部分,；而去加重衰減信號(hào)的低頻部分，保持高頻部分,。預(yù)加重/去加重的目的都是提升信號(hào)中高頻部分的能量,，以補(bǔ)償信道對(duì)高頻部分衰減過(guò)大。

圖七：預(yù)加重 VS 去加重

如果在TX端測(cè)量經(jīng)過(guò)預(yù)加重/去加重的信號(hào)的眼圖,，可以看到如下圖八的上半部分所示的“雙眼皮”的眼圖,，而下圖八的下半部分是做3.5dB的去加重之前信號(hào)的眼圖。還有,，使用去加重后,，TX端信號(hào)的抖動(dòng)會(huì)大于未采用加重的信號(hào)，在下面的眼圖中可以清楚的看到去

加重后眼圖 

圖八：去加重前后的眼圖對(duì)比的交叉點(diǎn)比去加重之前的更寬,，說(shuō)明在去加重后測(cè)量TX的抖動(dòng)會(huì)更大些,。

在當(dāng)前流行的很多串行數(shù)據(jù)，比如PCIe,、FBDIMM都使用了去加重技術(shù),。

高速芯片通常提供了幾種預(yù)加重/去加重程度和信號(hào)幅度可調(diào)節(jié)，以第二代的PCI Express為例,，其比特率為5Gbps,，有3.5dB和6.5dB兩者去加重模式。

在接下來(lái)的案例中,，TX為某3.125Gbps信號(hào)源,，信道為L(zhǎng)attice的帶有24英寸傳輸線的演示板，RX為示波器的兩個(gè)通道,，即兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)50歐的負(fù)載,。圖九中左邊的眼圖為TX端沒(méi)有預(yù)加重時(shí)RX端測(cè)量到的眼圖，右邊的眼圖為TX采用3.5dB預(yù)加重后RX端測(cè)量到的眼圖,，前者眼高為93mV,，后者眼高為135mV?？梢娛褂?.5dB預(yù)加重后,，接收端的眼圖得到提升。

圖九：使用預(yù)加重后接收端眼圖質(zhì)量變好預(yù)加重/去加重是廣泛應(yīng)用于高速串行數(shù)據(jù)芯片的技術(shù),。在芯片設(shè)計(jì)中,，芯片廠商通常提供了多種預(yù)加重/去加重的程度與信號(hào)幅度，在驅(qū)動(dòng)不同信道時(shí)可以靈活選擇,。

對(duì)于高速背板設(shè)計(jì),，我們可以測(cè)量不同傳輸線長(zhǎng)度,、不同背板連接器的等等情況的信道模型，用力科示波器直接在TX測(cè)量該芯片輸出的信號(hào),，使用信道仿真功能,，計(jì)算出RX端的信號(hào)、眼圖與抖動(dòng),。然后不斷調(diào)節(jié)芯片的預(yù)加重/去加重程度,，直到獲得最佳的RX端的信號(hào)質(zhì)量。

什么是預(yù)加重/去加重仿真,？

力科的預(yù)加重/去加重仿真可以在把未加重信號(hào)進(jìn)行預(yù)加重/去加重處理,，仿真不同程度的預(yù)加重/去加重后的信號(hào)。與信道仿真配合,，可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能：

一,，對(duì)于IC設(shè)計(jì)工程師或高速系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師，可以預(yù)先估算芯片的TX端所需的均衡程度

二,，對(duì)于背板設(shè)計(jì)工程師,，無(wú)須修改待測(cè)試信號(hào)源的預(yù)加重或去加重程度，直接測(cè)量未作均衡的信號(hào),，結(jié)合信道仿真功能,，計(jì)算出多少dB的預(yù)加重足以滿足該背板設(shè)計(jì)？或者多少dB的預(yù)加重對(duì)于某信道可實(shí)現(xiàn)最佳的接收端測(cè)量結(jié)果,。

什么是刪除“加重”,？

力科示波器可以把測(cè)量到的帶有預(yù)加重/去加重的信號(hào)消除“加重”，得到?jīng)]有采用“加重”技術(shù)的信號(hào),。由于采用去加重后的信號(hào)的數(shù)據(jù)相關(guān)性抖動(dòng)DDj會(huì)更大些,，所以對(duì)刪除“加重”后的信號(hào)來(lái)分析其總體抖動(dòng)、固有抖動(dòng)更準(zhǔn)確,。

圖十：力科預(yù)加重/去加重仿真的用戶界面

什么是均衡器仿真,？

力科眼圖醫(yī)生支持目前最流行的CTLE、FFE,、DFE三種均衡器,。關(guān)于這幾種均衡器的理論介紹，可參考一些通信理論書籍,，在這里僅作簡(jiǎn)要介紹,。

CTLE均衡器

Continuous Time Linear Equalization均衡器（簡(jiǎn)稱CTLE）即連續(xù)時(shí)間線性均衡器，是一種常見的線性均衡器,。在最新的USB3.0中使用了CTLE均衡器,。USB3.0的速度高達(dá)5Gbps，在不久的將來(lái)會(huì)在計(jì)算機(jī),、消費(fèi)電子類產(chǎn)品上廣泛應(yīng)用,。由于USB3.0的速度很高,，當(dāng)USB電纜較長(zhǎng)時(shí)，RX端眼圖很可能已閉合,，這時(shí)分析眼圖與抖動(dòng)是沒(méi)有意義的,。使用力科眼圖醫(yī)生的CTLE均衡仿真后，對(duì)均衡后信號(hào)測(cè)量眼圖與抖動(dòng)指標(biāo),，可以精確的驗(yàn)證其性能,。結(jié)合力科的信道仿真功能，直接測(cè)量USB3.0的TX,，可以迅速評(píng)估不同的信道是否需要均衡？或者均衡后的性能指標(biāo),。

USB的官方組織規(guī)定了USB3.0使用的CTLE均衡器的參數(shù),，如下圖11左上部分為均衡器的頻響，右上方的表格是均衡器的參數(shù),，下方是力科示波器中集成了USB3.0的均衡器參數(shù),，可方便調(diào)用。

CTLE均衡器的優(yōu)點(diǎn)是功耗低,、實(shí)現(xiàn)起來(lái)很簡(jiǎn)單,、不會(huì)增大抖動(dòng)。

圖11：USB3.0的CTLE均衡器參數(shù)設(shè)置

FFE均衡器

Feed Forward Equalization均衡器（簡(jiǎn)稱FFE）是一種常見的模擬均衡器,，如下圖12所示,，由延遲電路（Delay）、乘法器,、加法器組成,，延遲電路的時(shí)間延遲正好是1個(gè)比特，Tap系數(shù)（tap level）是每一級(jí)乘法器（放大器）的增益,，輸入信號(hào)通過(guò)每一級(jí)處理后相加得到輸出波形,，即FFE均衡后的波形。

圖12：FFE均衡器示意圖

如下圖13所示為某3階FFE均衡器（3個(gè)tap）的系統(tǒng)簡(jiǎn)化示意圖,，輸入信號(hào)為左上角的紅色信號(hào),，淡紫色虛線標(biāo)識(shí)的波形是理想的信號(hào)波形，由于信道使到達(dá)RX的信號(hào)惡化,，均衡器的輸入信號(hào)相比理想波形,，其幅度較低、上升時(shí)間與下降時(shí)間較慢,。第一,、二、三級(jí)乘法器的系數(shù)分別為C1=-0.3,、C2=1.4,、C3=-0.5,。第二級(jí)乘法器的增益為1.4，可以大大提升信號(hào)的幅度,，其輸出波形如下圖13粉紅色波形,；第一級(jí)乘法器的系數(shù)C1=-0.3，產(chǎn)生一個(gè)負(fù)向的脈沖信號(hào),，用于補(bǔ)償信號(hào)的上升沿,；第三級(jí)乘法器的系數(shù)C3=-0.5，用于補(bǔ)償信號(hào)的下降沿,。三級(jí)乘法器的輸出相加后的信號(hào)為圖中的黑色波形,，其幅度接近理想信號(hào)，上升,、下降沿都比均衡器的輸入信號(hào)更快,。FFE的均衡器的響應(yīng)很像一個(gè)高通濾波器。在這個(gè)3-tap的FFE均衡器中,，第二個(gè)乘法器是用于補(bǔ)償幅度的,，由于前面還有一級(jí)乘法器，所以稱為pre-cursor tap＝1的FFE均衡器,。在使用力科FFE均衡器參數(shù)優(yōu)化仿真時(shí),，需要輸入tap的數(shù)量和pre-cursor tap的數(shù)值，分析軟件會(huì)自動(dòng)計(jì)算出每個(gè)tap的系數(shù),。

圖13：某3-tap的FFE均衡器的簡(jiǎn)化示意圖

DFE均衡器

Decision Feedback Equalization均衡器（簡(jiǎn)稱DFE）即判決反饋均衡器,，是一種廣泛使用的非線性均衡器。在眼圖醫(yī)生的高級(jí)模式下可以設(shè)置DFE均衡器的參數(shù),，也可以自動(dòng)優(yōu)化出DFE均衡器的參數(shù),。如下圖14所示為某3-tap的 DFE均衡器的示意圖。 DFE均衡器中包括了延時(shí)電路,、乘法器和加法器,，和FFE均衡器有些相似。不過(guò)DFE的反饋回的信號(hào)是二進(jìn)制信號(hào),，而FFE反饋的是模擬信號(hào),。在DFE均衡器仿真時(shí)，只需在眼圖醫(yī)生中輸入tap的數(shù)值,，分析軟件會(huì)自動(dòng)計(jì)算出每個(gè)tap的系數(shù),。

圖14：某3-tap的DFE均衡器的簡(jiǎn)化示意圖

DFE不會(huì)放大噪聲與串?dāng)_，易于實(shí)現(xiàn),，在高速收發(fā)器芯片中非常流行,。比如Altera和Xilinx的某些FPGA的收發(fā)器就集成了DFE和CTLE。

均衡器仿真的作用

對(duì)于5Gbps以上的串行鏈路，RX端通常使用了均衡器,，如果用示波器在RX端測(cè)量,，只能得到未均衡的信號(hào)，可能其眼圖已閉合,，無(wú)法從物理層的測(cè)試手段驗(yàn)證接收端的性能,。使用均衡器仿真后，可以計(jì)算出均衡后的波形,、眼圖和抖動(dòng),，能進(jìn)一步驗(yàn)證真正的接收端的電氣特性。

另外,，對(duì)于高速收發(fā)器芯片廠商,，使用力科的均衡器仿真，可以預(yù)估某信道最適合的均衡器以及相關(guān)參數(shù),。大大加快了芯片的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證速度,。

圖15：某8.5Gbps驅(qū)動(dòng)24英寸傳輸線的均衡器優(yōu)化在圖15中，最上面的眼圖是直接測(cè)量某8.5Gbps信號(hào)的眼圖,；中間的眼圖是TX端做了6.5dB預(yù)加重后，通過(guò)24英寸微帶線的PCB后在RX端測(cè)量

的眼圖,，可見眼圖已閉合,；在下方的

眼圖是接受端使用4-tap的DFE和5-tap的FFE后測(cè)量的眼圖，可見通過(guò)RX端均衡后,，眼高達(dá)到400mV,，信號(hào)質(zhì)量得到很大的改善。

結(jié)語(yǔ)

眼圖醫(yī)生提供了高速串行鏈路的發(fā)送端,、信道,、接收端的全方位的仿真與分析能力，改變了傳統(tǒng)的高速串行設(shè)計(jì)的研發(fā)與調(diào)試方式,。配合力科30GHz帶寬的實(shí)時(shí)示波器SDA830Zi,，可以實(shí)現(xiàn)當(dāng)前流行的10G信號(hào)的信道仿真、均衡仿真,、以及全面的測(cè)量與分析,。