串列資料網路分析（SDNA）應用

在電腦、通訊與消費性電子產品產業中，從平行到高速串列資料的轉換，正帶來新的設計挑戰。由於必須透過同一條互連連結傳送更多資料位元，因此資料速率提高至multi gigabit範圍，使得時序資源相當吃緊。資料速率提高還會因為互連通道中的高頻損失，而產生更多的符號間干擾（ISI）。

除此之外，為了讓設計人員達成更高的資料傳送速率，因此通常會同時使用數種串列連結，形成所謂的多通道（Multilane）配置，而串音在此配置中再度扮演很重要的角色。

所以，必須更加密切地管理互連反射、耗損和串音的特性。這項特性分析必須以差動方式完成，且必須使用所謂的S參數，在頻域中而非在時域中越來越頻繁地進行（請參閱Box1：S參數背景知識）。S參數可以量化的方式，洞察位元錯誤與位元錯誤率（BER）劣化、抖動、接地雜訊和 EMI 的原因。串音也可藉由S參數量測，查看一對線路至相鄰之另一對線路的訊號傳送而完成。

許多電氣標準，略舉數例如SATA、PCI Express、FibreChannel和Gigabit Ethernet，現在在其相容性測試步驟中都需要S參數。差動串列資料相容性測試和串列資料元件差動特性分析，可以總稱為「串列資料網路分析」（SDNA）。

傳統的S參數量測工具通常稱為「向量網路分析儀」（VNA）。這些工具的功能多半很強大，但這些強大的能力很可能反而成為敗筆，因為它們的準確度是透過廣泛的校驗程序而達成的。對於SDNA應用而言，這些差動校驗程序極度冗長而難以遵循，導致測試時間過久且易產生人為錯誤。VNA有電子校驗模組可供使用，但是僅在大多數SDNA應用中相對較低的頻率下運作。此外，VNA儀器的成本相較於數位設計人員工作台上的一般儀器，通常並不便宜。

TDR架構的S參數量測工具（參見Box2: TDR架構的S參數量測）已獲證明為經濟實惠、方便好用、校驗簡便、準確度高，並可提供更高的產出速度。舉例而言，可以在一分鐘內，利用 TDR和後處理軟體，取得差動插入損失量測結果，不像使用VNA時一般需要15分鐘左右。VNA也不能直接量測DC，若要為長形DUT準確量測低頻率（例如纜線），可能要花費很長的時間，而且它們是從單端量測計算系統的差動響應，而非直接測量。

TDR架構的系統可以直接量測DC和低頻率，可透過同時觸發一個以上的信號源，直接取得真正的差動TDR和S參數。IConnect還可擷取極長的記錄（最多可達1,000,000點），這是進行長形裝置（如纜線）的S參數量測時不可或缺的。

最後，TDR架構系統的一般成本只有類似的VNA系統的一半，同時VNA系統提供的時域解析度也低於頻寬相仿的TDR。幾項有關TDR架構S參數的誤解，會在（Box3：有關TDR架構的S參數的誤解）中釐清。整體而言，TDR架構的S參數量測系統，能夠提供高的產出速度和簡易操作之執行S參數相容性測試的方法，為許多數位標準以及在高速Giga位元下運作之數位裝置進行特性分析所需。

TDR空間解析度需求

從最基本的TDR需求開始，也就是提供足夠的解析度以找出封裝或電路板中的錯誤。美國印刷電路學會（IPC）TM-650 2.5.5.7文件將TDR解析度定義為「解析度限制，達到此限制時，兩個傳輸線上的不連續或變化之處會開始合併在一起，依照此定義，解析度的限制為：上升時間的10％至90％或下降時間的90％至10％（需視TDR響應是否以短路或斷路進行校驗而定）的一半。

《圖一 依據IPC TM-650的TDR解析度限制》

對於空氣中和FR4電路板（vp ? 2x108 m/s）上的一般表面微帶，IPC TM-650中已將解析度和TDR上升時間的需求摘錄於下表中。

內側板層（帶狀線）的代表性遠高於一般電路板線路。此外，這對於提供自由空間中傳播的解析度資料十分有用。以帶狀線而言，假設vp = 0.446xclight=1.34x108，根據 tTDR/2法則推算出解析度資料並摘錄於下表中。

在TDR展示電路板上，解析度結構位於距離電路板上2.4 mm (S) 接頭相當近的範圍內。

《圖二 反射上升時間TDR模組進行TDR測試的結果，從左側啟動的訊號存取1.25 mm結構，右側啟動的訊號存取2.5 mm結構。15ps（反射）80E10模組在不連續處間隔為1.25mm（左側）之結構上，以及間隔為2.5 mm（右側）之結構上的解析度。》

(圖二)顯然在間距為2.5mm的結構上，兩個不連續處可以完美解析出來，而在間距為1.25mm的結構上，會開始損失解析度（展示電路板上的軌跡為微帶，而根據(表一)，在微帶的解析度上會有不同的限制）。

但令人好奇的是，在不連續處之間的1.25mm間距下，這些不連續處不會消失，只是變成單一的不連續處。因此很明顯的，若錯誤分析師試圖找出單一不連續處，TDR模組甚至能夠觀察到次毫米的不連續處。這是很重要的結論：次毫米解析度可透過80E10模組中的15ps反射上升時間而達成。

串列標準的上升時間需求

在使用TDR架構的S參數量測系統進行特性分析或特定標準定義的相容性測試時，必須要了解其上升時間需求，才能準確執行量測或測試。在指定上升時間時，標準主要著重在最大（最慢）上升時間，並將最小上升時間視為資訊上的參數。

例如SATA測試程序，雖然說明需要最小上升時間，但卻在註腳中清楚表示「最低速率的錯誤並無影響互通性的跡象，因此不包含在互通性測試之通過/失敗的判定中。」因此在大多數的標準中，設計人員的這項問題仍然懸而未決在標準所指定的特定技術規格、特定資料速率和特定S參數頻寬中，需要多長的TDR上升時間？

在最近對標準的研究中，觀察到一個明顯的趨勢，那就是制定第1代標準 （如Infiniband SDR、PCI Express等） 的上升時間，占用的位元寬度（單位間隔） 部分事實上小於第2代（例如Infiniband DDR、PCI Express 2.0、4 Gbps FibreChannel） 和第3代（8 Gbps FibreChannel、10 Gbps Ethernet） 的標準。這項約略的標準世代分界線是以3.125 Gbps作為第一代至第二代的轉換，而以6.5Gbps作為第二代至第三代的轉換。

上升時間在第一代標準中占用約15％的位元寬度，第二代中約為20％，第三代中則為 25％（量測的所有上升時間均為20％至80％位元寬度）。這項資訊摘錄於下(表三)中。

若設計人員利用比裝置所使用之各種標準快50％TDR上升時間，就可用游刃有餘的防護頻帶完成完整的通道特性分析（請注意TDR上升時間定義為10～90％，可提供比標準所指定之20～80％上升時間更多的防護頻帶）。這個假設能確保提供的上升時間速度足以進行特性分析。

若必須減緩上升時間，可透過示波器中非常精確的濾波方式，或使用耗損足夠的纜線或濾波器達到此效果。下表摘錄使用這項50％防護頻帶的假設，並指出各種不同的標準需要多少TDR上升時間。

串列資料的動態範圍需求

現在來定義動態範圍。一般而言，接收器動態範圍定義為可量測之最大與最小功率－Pmax和Pmin的差(圖三)。系統動態範圍定義為信號源額定功率 （Pref） 和可量測之最小功率（Pmin）的差。

《圖三 動態範圍定義》

在TDR架構的S參數量測中，Pmax和取樣模組的最大作業規格有關，而在著重於被動元件（互連）量測時較無關聯。因此，在串列資料互連特性分析中，重要的是系統動態範圍。

這和串列資料動態範圍需求有什麼關係呢？事實上，依據上述的討論，動態範圍是0dB和基準雜訊的差值。特定頻率下的實際量測準確度，必須視實際量測位準 （Pmeasured）和基準雜訊（Pmin）的差值而定。如果實際待測裝置，是在比參考量測位準低XdB的基準雜訊下量測的，則可以驗證其準確度的百分比與低於參考值的XdB數值關聯如下，請注意，頻域中的訊號與雜訊是以向量方式相加（上述公式顯示的是最壞的情況下的準確度），也就是雜訊向量與訊號向量完全同相（或180度反相）時的準確度。

《圖四 頻域中量測向量與錯誤向量之間的互通性》

此外，可使用下列公式，驗證該訊號上的整個峰對峰漣波（(圖四)中的誤差範圍直徑為Y dB）：

《公式一》

此公式同時包含波形上觀察到的正漣波和負漣波。其中驗證可達成的準確度，需視動態範圍低於多少量測位準而定。詳細表格請參閱（Box4：準確度與量測位準以下的動態範圍）。SMA接頭的設計基本上不同於精密接頭。SMA擁有電介質架構的設計，其他接頭則採用無線擷取介面（ir-interface）。無線擷取介面設計可提供更穩定的連接和更佳的電子效能。如上文所述，雖然SMA接頭常見又比較便宜，但是它們的尺寸和效能並不像其他的精密微波接頭一樣精確地維持一致。長期將SMA與精密微波接頭連接在一起，會增加磨損和降低精密接頭的效能。

《圖五 S參數量測系統錯誤相較於該頻率下測得之訊號位準與系統動態範圍的差值》

在進行任何一種串列資料標準的一般特性分析工作時，可能會想要量測不小於完整訊號振幅之10％的電壓。這種電壓突波可能會因來自鄰近成對的差動線路之反射或串音而造成。這種類型的電壓突波，仍可提供約80％的眼狀圖開口，如(圖五)所示。

《圖六 2.5Gbps下的80％眼狀圖開口，而眼狀圖閉合則是由訊號振幅10％的串音所造成的。》

使用10％的準確度量測此電壓突波已經足夠（這樣會轉譯為完整訊號振幅之1％的準確度）。這組典型量測需求摘錄於下表中，並提供在500mV、1V和2 V的峰對峰振幅訊號下，將百分比轉換為電壓的範例。

使用準確度表 (表五) 和（Box：準確度與量測位準以下的動態範圍）中的表格，就可判斷出總振幅10％的訊號為-20dB，而為了使用10％的準確度量測它，基準雜訊必須比量測位準再低-20dB，因此整體動態範圍需求-40dB。

串列資料的頻率需求

上文所述的第一、第二、第三代的串列標準劃分，發現較晚世代的標準對於數位元件特性分析方面的要求較少。在第一代和第二代標準中，設計人員關心的是時脈第五諧波的特性分析（即使這些標準中要求的相容性測試要少得多），而第三代標準的設計人員關心的則是第三諧波。

整體而言，執行第五諧波的特性分析可確保足夠的特性分析頻寬，並帶給設計人員充分的信心。(表五)使用第五諧波作為準則，提供頻率需求。

TDR模組迎向挑戰

下列為80E10模組的一般動態範圍。

《圖七 80E10 模組的動態範圍估計值》

很明顯的，動態範圍會隨著頻率而衰減。這主要是因為TDR事件波形類似步進的本質，這會導致事件功率隨1/f下滑。

《圖八 每分頻500ps、256個平均值的80E10事件功率》

對動態範圍與頻寬需求的定位有什麼關係呢？下表提供了解答。

總結

在本文中，依據專家使用者的知識，識別出SDNA除錯、相容性、驗證和特性分析應用的準確度需求。為SDNA應用定義出下列需求：