本文將從量測上分析無線寬頻(InfiniBand)纜線組件模型建構的有效方法，並描述TDR示波器上正確資料擷取技術，以及對InfiniBand纜線測試組件中不同元件模型建構技術的建議，最後推論眼狀圖如何協助分析模型性能...
本文將從量測上分析無線寬頻(InfiniBand)纜線組件模型建構的有效方法，並描述TDR示波器上正確資料擷取技術，以及對InfiniBand纜線測試組件中不同元件模型建構技術的建議，最後推論眼狀圖如何協助分析模型性能。在此介紹的技術讓設計師能快速執行InfiniBand模型建構與分析工作，以縮短設計時間並降低整體成本。
過去幾年來，通訊與電腦產業中準確的SPICE與IBIS模型需求日益增加，預測將有千兆(Gigabit)速度等級的訊號傳輸出現。在此速度下，互連(Interconnects)是複雜且分散的結構，須要精心設計與分析技術。訊號整合成為達成數位系統設計可靠效能的關鍵因素，尤其當互連結構在電性上為長結構時，如頻率依存傳輸與折返耗損、串音、耦合，以及訊號分散等訊號整合問題變得極為顯著。從設計師的觀點來看，纜線結構模型為明顯挑戰，須解決才能達成精確模擬與可靠數位系統運作。本文將說明以IConnect訊號整合軟體從時域反射及傳輸(TDR/T)量測中產生InfiniBand纜線模型的詳細方法。
眾所周知，互連結構即使於低頻時亦非簡單的導體；它具有某種特性，並會出現阻抗、電感，或電容行為。當訊號進入千兆範圍時，互連結構會變得分散，並產生時間延遲。差動式訊號設計已普遍用於改善高速互連性能。
在InfiniBand纜線設計上，使用差動式耦合傳輸線的主要優點之一在於能增加對共模雜訊的抵抗力，並減少裝置間的電磁干擾(Electromagnetic Interference, EMI)。模式與偶數模式兩種傳輸模式能完整說明耦合結構，其中一種模式執行雙訊號線差動對訊號時，訊號傳輸便不會失真。由於系統雜訊含有共模元件，可使用奇數模式訊號傳輸資料，奇數傳輸模式的每條線皆載送振幅相同、極性卻相反的單一位元資料。在接收端減去訊號時，理想上可消除一般雜訊元件。
然而，現實世界並非如此理想，由於典型InfiniBand纜線測試結構包含接頭、電路板軌跡、彎曲與其他非連續性元件，即使在使用差動式訊號設計時，也會產生訊號整合的問題。圖1顯示以InfiniBand速度運作的典型纜線組件眼狀圖閉合，眼狀圖閉合主要發生原因為纜線組件的高頻損失，數位設計師必須能精確預測並建構這些訊號整合問題效應的模型。
在製造纜線接頭組件時，將其視為系統的一部分加以分析相當重要，此即以量測為基礎的模型所能提供的更高效益。圖2顯示建構典型InfiniBand纜線組件非連續性與實體功能模型的電路元件值，能使用相連模型軟體並根據時域量測資料加以判定，目前正是每位數位設計師所必備的工具。TDR示波器或結合TDA系統IConnect軟體的向量網路分析儀(Vector Network Analyzer, VNA)能產生以實際量測為基礎的精確SPICE與IBIS模型，有助於在日新月異的高科技業贏得成功。
目前有兩種模型建構方法能使用於建構InfiniBand纜線測試結構模型，即行為方法及拓樸方法(表1)。行為方法或資料驅動模型，以量測波形的數學行為作基礎，複製量測裝置的行為。IConnect MeasureXtractor模型建構技術允許2埠或4埠模型的自動模型擷取，相當於單線及耦合線電路。拓樸模型顯示量測結構的幾何特徵，使用拓樸模型建構InfiniBand纜線模型的最大好處在於讓設計師能檢視每個個別元件，並促使元件達成目標性能。
為建立拓樸模型，時域電壓波形是必需的，可使用TDR示波器擷取資料，接著可使用「剝離演算法」(Peeling Algorithm)對有效阻抗匹配進行反迴旋，並去埋藏(De-embed)量測的多重反射效應。之後，即可由圖3的阻抗匹配中直接讀出模型，此例說明TDR量測有效阻抗匹配如何直接使用結構阻抗匹配中的電路元件值。假設量測資料指出有重大損失，導致訊號上升時間衰減，損耗式線路模型會是較適當的模型；此種模型能有效擷取頻率依存RLGC參數。除此之外，能同時合併以阻抗為基礎的模型與損耗式線路模型，並準確顯示反射與上升時間衰減的裝置反應。
InfiniBand纜線組件的拓樸模型視應用需求可為單端或耦合模型，例如若主要需求為奇數傳輸模型，則可建立差動式阻抗模型以分析裝置行為。此種模型會有兩個埠，一個為輸入埠，另一個為輸出埠。然而，若想分析共模雜訊互斥，完全耦合模型將是最佳選擇。由於任何差動式線路傳輸訊號均可分解為偶數與奇數模式元件，假設可忽略相鄰線路串音，則完全耦合模型能提供系統完整說明。所產生的模型實際上會有四個埠，兩個埠為輸入訊號，另兩個埠為輸出訊號。除此之外，利用相乘系列阻抗，將模型分流導納除以二，終端阻抗乘二，能修改完全耦合模型，而以差動式驅動器使用模型。
如圖2所示，典型InfiniBand纜線測試系統包含非耦合軌跡接頭的測試卡、耦合鎖存接頭與纜線本身。當差動式訊號傳輸至待測裝置(Device Under Test, DUT)時，可因所有轉態看到非連續性，因此在架構拓樸模型時，應合理考量每個元件效應。IConnect軟體允許擷取個別零件的電路模型，然後在同一組件中結合。
假設從量測資料上進行模型建構，則擷取可靠的纜線組件量測非常重要。在這種情況下，能提供約20GHz的高頻寬TDR示波器較合適。使用高精密儀器時，遵循良好量測規則亦相當重要：
‧進行量測之前，讓儀器先暖機至少20～30分鐘
‧執行所需的校準
‧使用高品質、低損失的纜線與探棒
‧使用大量平均值以降低雜訊
‧使用最多數量擷取點
‧按示波器手冊消除TDR示波器上的通道偏移
如之前所述，完全耦合模型為4埠結構，須具備四個通道的儀器以完整分析結構，兩個通道為反射用，另兩個通道用於傳輸量測。不過在某些情況下無法擷取所有4埠量測，而IConnect能提供工程師僅需TDR反射量測即可建立模型的方法。表2列出推薦用於建立典型InfiniBand纜線模型的波形。
建構測試卡與纜線損失模型時，時域擷取視窗須夠長，以擷取所有對應DUT的轉態。事實上，纜線組件在電性上屬於長結構，須要多次全景視窗拍攝以擷取資料。然而，建構高速接頭模型時最好保持相對較短的視窗，以達到足夠的解析度，並解決接頭細部問題。
若使用需極速上升時間的資料建立模型，將導致不必要的複雜度。因此，在開始建構模型程序前，最好先決定量測上升時間或等效頻寬的有效範圍，然後對波形做濾波以符合所需規格。
舉例來說，對量測波形濾波成100ps 20～80%的上升時間。假定纜線組件由纜線本身與測試卡組成，則模型建構程序可分為兩個一般階段，即纜線損失模型建構與測試卡模型建構，與測試卡及InfiniBand纜線互連的高速接頭為建構程序之一部分。
纜線組件的步驟反應由頻率依存傳輸線損失控制，集膚效應(Skin Effect)與電介質損失為訊號上升時間與振幅降低的主要原因，讓對稱耦合損耗式線路成為纜線損失模型建構的完美選擇，同時集膚效應也成為纜線組件典型的決定要素。
當所需波形載入IConnect模型建構視窗後，損耗式線路模型即可達到極高精確度的最佳化。此外，IConnect允許手動使用者輸入，且能調整模型參數以取得時域與頻域上良好關聯性(圖4)。為提供良好起點，可以數位電壓計簡單量測DC電路值，接著使用IConnect的「Fix」功能固定，以促進最佳化程序。以所選擇的連結模擬器驗證對稱耦合損耗式線路模型後，便可儲存最後的組件。為適當調整互連長度，使用者可以使用IConnect損耗式線路模型器的比例調整功能。
為決定那些模型最適合用於模擬測試卡的行為，分析IConnect所產生的有效阻抗匹配相當實用。為達成此目的，可採用耦合線路剝離(Peeling)演算法。圖5顯示存在於測試卡阻抗匹配的三個主要區域；傳輸訊號時可看到圖6a中所示的SMA接頭區，接著進入軌跡區。這兩個區域代表非耦合線路，並能以非耦合傳輸線建構模型。當訊號來到圖6b中所示的鎖存接頭時，會與相鄰軌跡耦合，此時耦合傳輸線模型是最適合的。
如圖7所示，將所有測試卡電路模型聚集後，可使用HSPICE模擬器驗證模型與量測資料組間關聯性。若第二子卡與先前產生的卡相同，藉由交換SPICE/IBIS網路表(SPICE/IBIS Netlist)中埠編號，便可再次使用電路模型。
在得到測試卡模型，並以所選擇的電路模擬器驗證纜線後，即可組合單一合成模型。在組合的過程中，須按比例縮小對稱耦合損耗式線路模型的長度，以說明嵌入電路模型中的元件長度。圖8顯示完整InfiniBand纜線組件產生的電路模型拓樸，以及量測與模型資料間的關聯性；每個框代表合成模型的子電路。
InfiniBand纜線組件的不同零件效應常須使用眼狀圖加以分析，拓樸模型非常適合此種分析，因為它可在電路拓樸的每個階段中擷取傳輸波形。擷取適合的實際量測估測後，便可增加或移除不同的設計元件。以模擬測試卡與纜線的眼狀圖為例，只須使用纜線與兩個端點接頭模型，即可模擬測試卡與鎖存接頭的傳輸波形；然後使用儲存後波形產生對應的眼狀圖。
圖9與圖10中顯示以此種方法產生的眼狀圖，指出測試卡對眼狀圖閉口的重要貢獻。測試卡可單獨產生694mV與388ps的眼狀圖開口，在2.5Gbps與100ps 20～80%上升時間所產生的眼狀圖，峰對峰抖動為11.6ps，而纜線接頭模形可產生484mV與367ps的眼狀圖開口，在相同條件下，峰對峰抖動為32.7ps。
4x InfiniBand纜線的完整模型建構方法已在此詳細說明，使用以TDR為基礎的量測與分析技術，設計師能生產所有Gigabit系統互連的精確且可靠的模型，而所產生的模型在模型與模擬資料間具有相當優異的關聯性。