本书是高速数字设计中现代信号完整性测试和测量方面全面、权威、极具实践价值的指导手册。此领域的三位顶级专家将指导你对现代逻辑信号检测和嵌入式系统故障进行系统地诊断、观察、分析和排除。作者用简单易懂的语言，介绍了嵌入式系统从规格定型到前仿真的整个生命周期，描述了其中的关键技术和概念。本书介绍了怎样使用实时测试和测量技术，解决当今不断增长、难于满足的互操作性和兼容性要求，给出详细、完整的案例分析，使读者学会如何应对一般设计上的挑战，包括：不增加任何额外费用确保接口与正时间裕度之间的同步操作；计算总的抖动预算；在高速串行接口设计中管理复杂的折中问题。

前 言 关于本书 我们生活在一个高速数字化的时代，嵌入式系统开发者在许多情况下必须应用新的设计方法并完成复杂的信号完整性测试和测量。本书引导读者了解嵌入式系统设计的整个生命周期，从规格定型和仿真到测试和测量。本书的特点是解决信号完整性工程中最棘手的问题，这些问题常常是在产品开发中导致延迟的根源—上市时间是信号完整性工程师的致命弱点。通过考虑从仿真到测试和验证的整个生命周期，你能看到仿真与实时测试之间新的相互作用，这些相互作用带来了新的设计方法。一个典型的例子是新的高速串行总线的设计和实施，在这里仿真和实时测试密不可分地联系在一起，尤其是设计将驱动器预加重与接收机均衡化装置结合起来。 著名的教育家、哲学家阿基米德说，“我们必须学会从实践中学习”，本书将努力做到这点。通过描述实际的应用，可以学习作者在嵌入式系统设计、仿真、测试和测量方面的经验。更重要的是，你受到了鼓舞，在信号完整性工程设计的整个生命周期中考虑和采取良好的习惯做法。 今天尤其重要的是需要满足标准规定的一致性和互操作性的需求。因此本书要探讨一致性测试的要求，并把互操作性设计看做一个重要的主题。除了一致性测试要迁移到高速串行总线之外，这两个议题本身在信号完整性工程中都会适宜一些实际应用例子。因此，高速串行总线及与它们相关的低电压差分信号的设计和测试是关键的主题，将贯穿本书的几个主要章节。然而，信号完整性工程的基础是对一致性测试和互操作性设计的理解，并且需要更新或学习信号的采集、测试、测量和设备仿真的基础，因此这也是本书的大部分内容。 团队工作已经变成工程师在设计、开发和测试数字系统的常规。团队成员要建立起友谊并定期互相提出意见，特别是在当今复杂的高速数字世界中。开发或测试数字系统的任务十分复杂，甚至设计一个看似简单的电路也可能产生问题。例如，工程师可能设计一个满足所有需求的简单数字电路，然而，一年后，某个芯片发生了改变，因为新的芯片更便宜并具有相同的功能。出乎工程师预料的是，新的芯片具有较小的器件尺寸，以此来降低成本和开关时间，从而导致更快的边沿速率和信号完整性问题！这引出了已证明的一句话“有两种类型的设计工程师，一些已经遇到信号完整性问题，而另一些将会遇到。”正如我们所看到的，如果一个设计对边沿速率是敏感的，那么它的元件规范必须使边沿速率成为一个正式产品参数，因为它无法预测硅生产制造工艺的发展。本书的目的是成为工程师的好伴侣，并且成为工程师团队的一部分，它提供对设计规格、仿真、测试和测量的理解，并且伴随着在设计的整个生命周期中能够保持信号完整性的一些重要意见。 虽然我们可以采取大的视角，但还是有一些工程师需要知道的相当小的问题，就像他们所说，“还是害怕提问”。例如，如果设计师怀疑出现地弹（ground bounce）或在参考信号上的更精确的瞬态响应，并且想用示波器来测量地线，那么探针在哪里连接地呢？事实上，它通常是连接一个坚实的逻辑0。此外，为什么一个最先进的示波器当测量地弹时给出50%的测量误差？那么，示波器的带宽通常指定在-3 dB点上，并且在指定的示波器带宽的限制下测量的电压将会显示为实际电压值的一半。此外，测量电压是很重要的，但考虑电流这一项—因为在地线上的电流尖峰将产生串扰和伪开关转换。我们可以继续进行下去；存在来自于间歇性的建立和保持违规所造成的无数个信号完整性的挑战，所引起的问题范围从亚稳态到电磁感应串扰。能够预见信号完整性问题并知道如何去避免它们是本书的根本。 本书的另一个特点是原始资料的结合。关于信号完整性的理论内容是建立在科学的规律及显著性假设之上的，本书的来源是作者的专业经验、发表的论文、同事的工作及其应用。本书是对原始材料的连贯组合，并且被扩展，提供对现代信号完整性应用的理解。本书中更关心的是实际问题。每章都集中在信号完整性工程师的日常活动，给出来自工业的建议和插图描述。实用性成为本书的中心主题。 21世纪是移动通信、计算机、数字广播等媒体相融合的数字时代，并且消费者希望媒体是透明的技术。简单来说，体育迷希望在他或她的移动电话、笔记本计算机和个人音乐播放器或数字电视上可以实时观看赛事，价格合理并且具有绝对的可靠性。我们也可以举出许多其他的来自工业、医药、军队的例子。今天，数字设计师或维修工程师都期待着在信号完整性工程中完成设计，它是系统支持的核心，这些都将在未来产生出创新的技术。本书反映了这个趋势。 读者对象 信号完整性工程是一个年轻、不断发展的学科，在这个领域很少有人宣称对它完全了解。对于作者来说写本书也是一个探索的旅程，并且我们有充分的理由相信对于你这将是一个有益的旅程。毫不怀疑，本书中讨论的一些议题将会引起争论，因为在工程学分支中有许多工作需要规范。然而，无可争议的原理是本书所提供的，它是依据信号完整性工程的。这些原理给予那些工程师一个基础，在这个基础上来建立对信号完整性工程所必要的知识和理解力。因此，本书是推荐给信号完整性工程师初学者和实践工程师来阅读的，据此作者描述了良好实践应用的前景，并显示了现代数字系统的发展、测试和验证。 虽然本书是自然分割成不同主题的章节，但是有一个共同的主线贯穿于全书。每章在讨论复杂的设计或测试之前，通过描述主题的必要前提，提供给读者一个指导。所以，有经验的工程师可跳跃一章的开始并集中在应用和高级主题的细节，就可以掌握主题的方法。没有任何一本信号完整性的书宣称是无所不包的，本书也不例外。你可能需要通过Prentice Hall出版社出版的深入的信号完整性系列理论书籍来巩固对信号完整性设计理论的理解。然而，本书在为广大读者解决信号完整性工程方面，大部分内容是自我包容的。 本书结构 为了指导你的嵌入式系统设计的整个生命周期，包括规格、仿真、测试和测量，本书在结构上尽可能按照开发周期的时间顺序来布置。然而为了包含信号完整性工程的各个方面，并为读者阅读提供一个连贯的主线，章节的次序是产品生命周期流程与信号完整性主题自然分组的一个折中方案。因此，一致性和串行总线仿真这两部分内容被放置到了本书的后半部分，而前些章节是这些更先进主题的先决条件。 第1章：引言 本章带你进入设备和电路仿真的世界中，这是一个现代数字产品成功开发过程中的主要阶段。一个发人深省的例子是，设计师在上市时间的强烈压力下，很容易会忽略对操作裕度的真正理解—网络在超出了生产和运行条件的情况下还能可靠地运行吗？在产品的使用生命周期中将会碰到这种情况。可预期的主要失败机制是什么？它们之间是怎样互相作用的？其中一些复杂的仿真问题，将在引言中重点介绍。但是更重要的一点是，这些讨论将为引入更深入的章节提供方法，在那些章节将深入研究所关心的问题。 在仿真之后，引言将详细地描述在信号完整性工程测试和测量方面的一些主要创新。例如，要克服一些传统的信号完整性工程问题，设备制造商当前需要在驱动设备和接收机内部使用新的集成信号处理功能，以便能应用信号预加重和均衡化。然而，不正确地应用预加重会产生不必要的过冲、串扰和噪声。这是一个解决当今信号完整性问题的复杂例子。本章对这些问题提出了一些粗浅的看法，并通过对眼图的基本描述提出了解决这类问题的途径，形成了当今许多自动化兼容性测试和信号分析测量的基础。 第2章：芯片到芯片的时域特性和仿真 本章涵盖了在CMOS状态机中存储信息的电路，以及它是如何失效的。一系列SPICE仿真和数据预算介绍了共同时钟架构，这是芯片之间数字信号传输三个模式中的第一个。尽管源同步和高速串行模式在当代系统中更为普遍，共同时钟架构并没有消失。对于共同时钟传输来说，一个可靠的办法是将有用的东西存储到工具箱中。 IO电路在信号完整性工程中扮演一个关键的角色，但是我们很少去关注它的示意图。CMOS IO电路已经使用无数次了，第2章将考察它们相关的电气特性。本章还包括为这个电路使用行为模型时我们所做的假设。研究这些电路为理解更深奥的电路提供了基础。本章和其他章都反复提到在信号完整性仿真中使用模型的精确性和质量。 第3章：信号路径分析 本章描述基于直观的时域反射（TDR）技术的信号路径分析。详细描述了TDR测量理论及其应用，给出TDR是理解如阻抗失配和电路板（PCB）问题等信号完整性影响的基础。特别地，它提供了一个描述一些主要信号完整性挑战和解决方法的理想工具。本章也介绍了矢量网络分析（VNA），这是一个用于其他事情的重要的频域测量方法，可以精确地描述高速信号路径的特性。本章的特别功能是介绍低电压差分信号（LVDS）路径的设计、开发和测试。然而，对基本传输线理论的理解是在信号路径设计中做出良好实践的基础。 今天，应用高速数字信号传输，即使是最短的无源PCB走线也能够表现出传输线的效应。传输线理论包含电磁场概念，一般需要复杂的数学分析。然而，使用TDR可以直观地引导对传输线理论的基本理解，即使一些基本概念需要少量的简单计算。 第4章：DDR2案例研究 DDR2案例研究解决了共同源同步总线的问题：这个接口在产品寿命周期之外将可以用正的时间裕度进行操作，而不会产生由过度保守引起的高成本吗？这一做法涉及一步一步地使接口分离—理解一个DIMM连接器生成多少毫伏（mV）的串扰和由它引起多少皮秒（ps）的眼图闭合。在项目计划的压力下，经常试图收集一套模型，构建仿真并完成演练。本章引领读者做深入的研究。 第5章：实时测量：探测 本书的核心是挑战数据采集问题，即检查理想的非侵入式探针存在的隐含问题。怎样才能在现代信号完整性测量中实现信号的高保真度，怎样才能避免不必要的测量假象呢？人们仔细研究了模拟信号测量的过程，证明了正确连接待测系统的重要性，因为高速数字信号的模拟特性决定了信号完整性。本章对探测提供实际的建议，并提出了如何避免探针的问题。特别值得注意的是，本章给出了当今快速信号和低电压差分信号（LVDS）的探测。 第6章：测试和调试：示波器和逻辑分析仪 本章从模拟和数字两方面来回顾现代信号完整性测试，因为在当今高频设计中，这两者之间存在不可分割的联系。重点是在频率超过1 GHz的频段，而选择的测量工具是数字示波器和逻辑分析仪。本章提供了实际的例子，说明怎样详细地观测模拟和数字波形，并提供必要的数据，以便理解最具挑战性的信号完整性时间预算问题，如建立和保持时间违规行为、数据偏移和亚稳态。实际插图显示了这些问题，并显示了它们是怎样被检测和调试的。 第7章：用信号源去重构实际信号 整个信号完整性工程中的核心主题是数字电路在模拟特性方面的行为分析，尤其是数字电路的行为是怎样被决定的。本书的一些章节专门针对用于仿真模型的方法，在这种方法中计算机生成的输出以不同的形式显示信号和数据，来响应一系列的仿真输入。然而，用来决定一个实际电路或原型的实时特性和操作的基本方法是外部控制和观察电路或待测设备。本书的大部分是关于信号采集和测量的，并且本章提供了一个平衡；它是关于另一方面—信号源—它用来控制电路。简言之，本章是关于外部提供的信号，它在电子测量中作为一种实时激励来使用。本章描述、揭秘了现代信号源的复杂问题，并显示了它是如何用来强调数字电路以暴露信号完整性缺陷的。 第8章：信号分析和一致性 数字系统的增值，如新的高速总线，创造了大量的互操作性和一致性标准。本章说明实时测试和测量如何成为一致性测试的基石。它描述了各种标准，特别强调高速串行总线，并说明为什么在频率超过2.5 GHz时，实时测试和测量是实现一致性的唯一出路。用于一致性验证的逻辑分析仪和示波器的实际使用是要被检查的，而诸如眼图和统计分析等技术将被详细讨论。本章对于那些需要理解、满足规定的一致性测试任务的信号完整性工程师是必不可少的阅读内容。 第9章：PCI Express案例研究 高速串行（HSS）是在芯片之间传输数据的三大模式的最后一种，PCI Express是一个很好的高速串行接口例子。PCI特殊兴趣小组发布了一系列规则，这些规则可以使设计走出麻烦。然而，要么强迫设计师背离良好的传输路线，要么破坏一些规则，或者为了另一个而放弃一个，这种情况经常发生。在这种情况下，对于理解每个互连元件对抖动预算会造成多少贡献，并且在计算所有的相关影响之后还能剩余多少皮秒是有帮助的。从一系列模型和设计规则开始，第9章检查每个元件在时域和频域中的特性，并且在某一时刻将它们联合起来以便达到总的抖动预算。 第10章：无线信号 蜂窝技术和无线数据网络的成功使得基本射频（RF）元件的价格直线下降。这使得制造商可以在传统的军事和通信市场之外嵌入相对复杂的RF设备到所有的民用产品中。射频发射机已经非常普遍，它能够在众多的嵌入式系统中找到。因此本书将介绍RF测试和测量用于信号完整性工程。此外，鉴于面临当今高速逻辑装置的行为特性的挑战，本章还介绍了对一些射频参数如抖动是怎样被测量的。本章给出了一个详细的对实时频谱分析仪（RTSA）的使用，也提供了对扫描频谱分析仪（SA）和矢量信号分析仪（VSA）的详细介绍。 相关网站资源 www.informit.com/title/0131860062 彩色照片和插图 本书的一些章节使用了插图和照片，以此让读者参与到仪器的应用。特别是描述测试和测量的章节使用逻辑分析仪、示波器和频谱分析仪显示时，量化、简化了很难、冗长的文字说明部分。然而，与其他大多数书籍一样，插图采用单色印刷，因此某些图片的细节或特征可能会丢失。所以，请从网站www.informit.com/title/0131860062下载图形文件，以查看彩色图像，并可以将它们与下面三章相关的文字内容联系起来： ●第6章 测试和调试：示波器和逻辑分析仪 ●第8章 信号分析和一致性 ●第10章 无线信号 仿真模型 第2章、第4章和第9章说明了使用三种接口模式的案例研究的皮秒分配：共同时钟、源同步和高速串行。 第2章中使用的模型套件包括传统的3.5 V 0.5 mm的CMOS工艺、IO电路和某些简单网络的SPICE晶体管模型。 第4章主要描述标准DDR2 IO电路、损耗传输线、过孔和DIMM连接器的行为仿真。虽然这一章讨论了DIMM连接器的串扰，但是模型套件只包含单线模型，因为DIMM连接器模型是专有的。 第9章中的PCI Express案例研究需要更精确的互连模型：再加上球栅阵列、相应的过孔场和边缘连接器的S参数表示。这些仿真在安捷伦（Agilent)的ADS库中使用了简单的100Ω去加重驱动器模型。这个模型不包括在套件中。 所有的模型都适合在SPICE或行为仿真器中的仿真。

目 录 第1章 引言 1 1.1 生命周期：开发仿真策略的动机 1 1.2 原型：互连高速数字信号 6 1.3 预加重 9 1.4 实时测试和测量的必要性 11 小结 19 第2章 芯片到芯片的时域特性和仿真 20 2.1 根本原因 20 2.2 CMOS锁存器 20 2.3 时序故障 23 2.4 建立和保持限制 23 2.5 芯片定时的公共时钟 26 2.6 建立和保持SPICE仿真 27 2.7 定时预算 28 2.8 共同时钟IO定时 30 2.9 使用标准负载的共同时钟IO定时 32 2.10 共同时钟结构的限制 36 2.11 IO电路内部 36 2.12 CMOS接收机 37 2.13 CMOS差分接收机 38 2.14 引脚电容 39 2.15 接收机的电流电压特性 40 2.16 CMOS推挽式驱动器 40 2.17 输出阻抗 42 2.18 输出上升时间和下降时间 43 2.19 CMOS电流模驱动器 44 2.20 IO电路的行为建模 45 2.21 CMOS推挽式驱动器的行为模型 46 2.22 行为建模的假设条件 48 2.23 IBIS模型介绍 48 2.24 IBIS标题 52 2.25 IBIS引脚列表 52 2.26 IBIS接收机模型 52 2.27 IBIS驱动器模型 53 2.28 行为建模的假设条件 54 2.29 SPICE模型与IBIS模型的比较 55 2.30 IO电路模型的正确性和质量 56 小结 59 第3章 信号路径分析 60 3.1 传输线环境 61 3.2 阻抗特性、反射与信号完整性 63 3.3 反射系数、阻抗和TDR的概念 65 3.4 观察真实世界的电路特性 70 3.5 TDR分辨率因子 71 3.6 差分TDR测量 74 3.7 信号完整性应用的频域测量 75 小结 78 第4章 DDR2案例研究 79 4.1 从共同的前身演变而来 79 4.2 DDR2信号 81 4.3 写时序 83 4.4 读时序 84 4.5 对IO的逐渐认识 86 4.6 片外驱动器 86 4.7 片上终端 87 4.8 上升波形和下降波形 88 4.9 互连敏感度分析 89 4.10 导体损耗和介质损耗 91 4.11 阻抗容差 94 4.12 引脚到引脚的电容变化 96 4.13 字节内的长度变化 96 4.14 DIMM连接器串扰 96 4.15 参考电压交流噪声和电阻容差 100 4.16 边坡降因子 101 4.17 最终读写时间预算 101 4.18 保守源 104 小结 105 第5章 实时测量：探测 107 5.1 现代示波器探针剖析 107 5.2 探测方法 109 5.3 测量质量 110 5.4 定义探针 110 5.5 示波器探针 111 5.6 动态范围限制 116 5.7 先进的探测技术 126 5.8 逻辑分析仪探测 139 小结 142 第6章 测试和调试：示波器和逻辑分析仪 143 6.1 信号完整性基础 143 6.2 信号完整性概念 144 6.3 验证工具：示波器 148 6.4 验证工具：逻辑分析仪 152 6.5 模拟和数字测量的结合 166 6.6 眼图分析 170 小结 171 第7章 用信号源去重构实际信号 173 7.1 观测和控制电路行为 173 7.2 激励和控制 174 7.3 信号生成技术 175 7.4 任意函数发生器 176 7.5 任意波形发生器 182 7.6 逻辑信号源 191 小结 194 第8章 信号分析和一致性 195 8.1 标准的框架 195 8.2 用于一致性测量的高性能工具 199 8.3 验证和一致性测量 201 8.4 理解串行结构 201 8.5 物理层一致性测试 208 8.6 测量光信号 212 8.7 一致性测量考虑：分析 215 8.8 测试串行链路 217 8.9 探头和探测 222 8.10 软件工具 223 8.11 发射机测量示例 226 8.12 阻抗和链路测量 228 8.13 接收机测试带来独特的挑战 235 8.14 数字验证和一致性 244 8.15 多总线系统 248 小结 250 第9章 PCI Express案例研究 251 9.1 高速串行接口 251 9.2 敏感度分析 253 9.3 理想驱动器和损耗传输线 255 9.4 带有去加重的差分驱动器 256 9.5 卡阻抗容差 259 9.6 3D不连续性 261 9.7 通道阶跃响应 262 9.8 串扰机理 263 9.9 串扰引起的抖动 264 9.10 通道特性 267 9.11 敏感度分析结果 269 9.12 模型与硬件的关系 270 小结 272 第10章 无线信号 273 10.1 射频信号 273 10.2 频率测量 275 10.3 实时频谱分析仪概述 278 10.4 实时频谱分析仪是怎样工作的 282 10.5 应用实时频谱分析仪 285 小结 298 术语表 299