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Signal Integrity

Introduction to Signal Integrity

높은 데이터 전송속도는 측정솔루션에 있어서 새로운 과제를 만들어 냅니다. 40GHz부터 최대 110GHz 혹은 그 이상까지 테스트 스펙트럼에서 구동하는 20Gbit/s 이상의 고속 표준들이 있습니다. Via, 적층 및 커넥터 핀 선택과 관련된 설계관점의 Trade-off와 더불어, PC 보드에서 전도체 표피 효과(Skin effect) 및 유전 손실과 관련된 새로운 문제를 더욱 잘 이해하기 위해서는 정확한 측정이 필요합니다. 이러한 측정 중 대부분은 더 높은 차수의 고조파가 포함된 데이터를 수집해야 합니다.

VNA(벡터 네트워크 분석기)를 사용하여 백플레인과 인터커넥트를 측정하는 경우에 가장 기본적인 고려 사항 중 하나는 S-파라미터 측정을 수행할 주파수 범위입니다. 주파수 범위는 결함을 찾는 능력, 시뮬레이션과 측정 사이의 상관 관계, 그리고 궁극적으로 비용/성능 균형을 고려한 최선의 의사결정을 내리는 데 영향을 줍니다.

네트워킹 데이터 전송 속도에서 마지막으로 주요한 향상이 이루어진 이후로 십여 년이 지났습니다. 2001년에 이미 최고치가 10Gb/s에 도달했으며 약간의 움직임을 제외하고는 지금까지 그 자리에 머물러 있었습니다. 그리고 드디어 하이테크 밀레니엄의 20년째에 100Gb/s가 도래 중인데, 이는 초고속 직렬 데이터 기술이 메가하이 속도의 광섬유 기술과 합쳐지고 있기 때문입니다. 광 엔지니어와 전기 엔지니어는 모두 원활한 업무를 위해 상대방의 업무에 대해 알아야 합니다. BERT(비트 오류율 테스터)를 사용하는 경우 단일 부품 또는 전체 시스템의 신호 전송 품질을 테스트해야 하기 때문입니다.

20+ Gbit/s High Speed Standards

Standard

Data Rate

Number of Lanes

CEI-25G-SR

19.90 to 28.05 Gbit/s

1 to N

CEI-25G-LR

19.90 to 25.80 Gbit/s

1 to N

IEEE802.3ba 100GBASE-LR/ER

25.78125 Gbit/s

4

32G Fiber Channel

28.05 Gbit/s

1

Infiniband 26G-IB-EDR

25.78125 Gbit/s

1 to N

결함 찾기

때때로 Via, 적층 문제, 커넥터 핀으로 인해 문제가 발생하는 경우가 있습니다. 하지만 주파수 영역 데이터만으로는 충분하지 않으며, 특정 문제의 위치를 찾기 위해서는 해당 데이터를 시간 영역으로 변환해야 합니다. 각 측정 지점에서 전송 특성이 표준을 따르는지 확인하기 위해서는 보조 기판 사이의 니어엔드(near-end) 포인트와 파엔드(far-end) 포인트뿐만 아니라 패시브 부품도 주파수와 시간영역에서 측정해야 합니다. 최적의 분해능을 사용하면 불연속 지점, 임피던스 변화, Crosstalk 문제를 찾아내는 능력이 개선됩니다. 또한 오늘날의 많은 구조는 전기적으로 규모가 크며 측정 솔루션의 앨리어스 프리(alias-free) 범위에 압력을 가하도록 되어 있습니다.

필수 주파수 범위를 증가시키는 고속 고조파

전송률(bit rates)이 증가하면서 백플레인(backplane) 및 인터커넥트 전송 특성 계산을 위한 주파수 상한도 증가해야 합니다. 기본적으로 속도가 증가하면 NRZ 클럭 주파수의 3차 또는 5차 고조파에 대한 측정을 수행하는 데 필요한 더 높은 테스트 주파수로 변환됩니다. 예를 들어, 28Gbps의 데이터 전송 속도는 이는 S-파라미터 스윕에 대해 42GHz 또는 70GHz의 정지 주파수를 의미합니다. 클럭 주파수의 고조파를 감쇠시키면 신호가 왜곡되므로 전송 미디어의 주파수 응답을 더 높은 주파수로 특성화할 필요성이 높아집니다. (최소 3차 고조파에서 이상적으로는 최소 5차 고조파까지).

S-parameters

기본 시간영역 장비는 시간영역 데이터에 대해 FFT(고속 푸리에(Fourier) 변환)를 수행하여 S-파라미터를 제공합니다. 주파수 영역에서 고품질 S-파라미터 측정을 수행하면 시간 도메인 기반 장비의 경우 탁월한 동적범위(DR)가 지원됩니다.

시간 도메인에 기반한 장비는 사실상 기본적으로 광대역장비입니다. 광대역 측정 시 속도 면에서 이점이 있지만,브로드밴드 특성상 상당한 잡음이 발생한다는 의미이기도 합니다(잡음 출력 = kTB, 여기서 k는 Boltzmann 상수이고 T는 Kelvin 온도, B는 잡음 대역폭). 따라서 잡음층이 증가하고 신호 대 잡음비(S/N)는 감소합니다. 이에 따라이들 장비에서 제공된 S-파라미터의 동적범위가 감소됩니다.

반면, VNA는 기본적으로 협대역 장비이며 대역폭 기반 kTB 잡음이 훨씬 낮기 때문에 잡음층이 훨씬 더 낮습니다. VNA는 매우 높은 S/N 비율의 데이터를 제공하고, 더 높은 DR S-파라미터 측정값을 생성하는 수십 Hz 대의 순간 IF 대역폭을 측정할 수 있습니다.

실제 예로, 일반적인 TDR/TDT 장비에서 제공된 S-파라미터는 약 40dB DR을 갖지만 일반적인 VNA S-파라미터는 대개 100dB DR보다 큽니다. 이렇게 높은 품질의 데이터는 신호 무결성 애플리케이션에서 사용되는 채널에 대해 측정된 결과와 시뮬레이션된 결과를 상호 연관시킨다는 점에서 중요할 수 있습니다.

네트워크 추출 및 디임베드

SI 애플리케이션에서 사용되는 많은 채널에는 측정된 S-파라미터에 영향을 주며 측정에 필요한 픽스쳐 또는 커넥터가 있습니다. 일반적인 픽스쳐로는 Baluns, 커넥터 및/또는 PCB 트레이스가 있습니다. 측정 시 이러한 기능과 구조를 제거하는 방법이 있으면 매우 유용할 수 있습니다. 네트워크 추출은 측정에서 디임베드(또는 임베드)하고자 하는 기능에 대한 S-파라미터를 결정하는 프로세스입니다.

Eye Diagrams in VNAs

주파수에서 삽입 손실이 증가하면 모서리부분이 부드러워지고 Eye는 측면으로부터 더 근접하게 됩니다. 낮은 주파수 결함은 지뿐만 아니라 Eye 전체에서 구조를 생성할 수 있습니다. 지터는 일반적인 엣지 확장을 일으키며 AWGN(부가적인 백색 가우시안 잡음)은 보다 완전한 회선 확장이 발생합니다.

Eye는 현재 트레이스의 데이터와 파라미터를 기반으로 하며 기본 주파수 영역 데이터가 업데이트 후 업데이트됩니다. 주파수 영역 데이터와 동일한 채널, 정규 타임도메인 결과, 타임 게이트 결과가 포함된 주파수 및 eye diagram 에서 동시에 트레이스를 가질 수 있습니다. 데이터 파형은 입력된 파라미터를 사용하여 타임도메인에 구성되며, 이는 현재 주파수 영역 데이터의 저역(lowpass) 타임도메인 표현과 얽혀 있습니다. 아이 다이어그램은 현재 주파수 목록이 저역(lowpass) 타임도메인을 지원하지 않는 경우 사용할 수 없습니다(즉, 시작 주파수는 스텝 주파수의 배수가 아닌 경우).

현재 데이터의 대역폭이 요청된 데이터 파형의 주파수 성분보다 훨씬 아래이면 매우 편평한 저진폭 eye diagram이 생성됩니다. 현재 데이터가 훨씬 큰 대역폭을 나타내는 경우는 eye diagram이 자체 오버레이된 입력 데이터 파형의 대역폭에 근접합니다. DUT가 전기적으로 매우 긴 경우(무앨리어스 지연 ~ 1/(주파수 스텝)까지), 계산이 어려울 수 있습니다. 참조 평면 이동을 사용하여 그 길이를 줄이면 측정 시 주파수 스텝 크기를 줄일 수 있으므로 도움이 될 수 있습니다.

계산 결과가 타임 도메인 파형이므로 결과는 항상 실 수입니다. 고유한 애플리케이션 요구로 인해 대부분의 그래프 유형이 허용되지만 Real 그래프 유형이 가장 일반적으로 사용됩니다. 배율은 Units별로 라벨이 붙어있지만 값은 사용자가 지정한 입력 신호 레벨에 따른 결과와 함께 볼트로 표시됩니다.

모든 응답 파라미터를 계산에 사용할 수 있습니다. S21은 2포트 시스템에서 가장 일반적으로 선택할 수 있는 옵션이지만 모든 전송 파라미터가 자주 사용됩니다. 반사 파라미터는 일반적으로 특별한 애플리케이션에서만 이 방법으로 사용됩니다.

PAM4

PAM4는 손실 레벨을 허용되는 사양까지 낮추지만 이에 상응하여 신호 복잡도에서 급격한 증가가 발생합니다. 또한 PAM4는 잠재적 비선형성도 발생합니다. 3개의 “Eye” 오프닝에서 Eye 높이의 편차를 “Eye 압축”이라고 합니다. 비슷하게, 3개의 아이 중심이 잘못 정렬되어 있을 때 “타이밍 스큐”가 발생합니다.

신호 무결성 엔지니어는 PAM4 신호를 측정할 때 여전히 지터, 잡음, 혼선과 싸워야 합니다. 매우 깨끗한 클락, 강력한 클락 복구 회로, 민감한 심볼 디코더/전압 슬라이서가 모두 필요합니다. 사실, 4개의 가능성 있는 기호를 디코딩하기 위해서는 3개의 슬라이서가 필요합니다. 채널에 의해 발생한 부호 간 간섭(ISI)을 해결하기 위해 트랜스미터와 리시버에서 향상된 이퀄라이제이션 기법이 PAM4 설계에 필요합니다.

혼선

100Gb/s 신호는 10ps의 비트 주기를 가지며 25Gb/s 신호는 40ps 주기를 갖기 때문에 Eye가 열릴 만큼 많은 시간이 없습니다. 그 결과, 높은 데이터 전송 속도에는 엄청나게 빠른 상승 및 하강 시간이 필요합니다. 디지털 신호가 정사각형에 가까울수록(파형이 제한될수록) 더 높은 주파수의 고조파가 유입됩니다. 높은 주파수는 미량의 임피던스 불일치를 일으키지만 최악의 상태는 아닙니다. 첫 번째 상승 및 하강 시간은 급변하는 전계를 생성하며, 변화하는 전계는 전자기 방사를 일으킵니다. 그리고 이런 조건에서 혼선이 발생하기 좋습니다.

Noise 잡음

광 신호의 변조로 인해 여러 가지 흥미진진한 과제가 발생합니다. 표준 온-오프, 모드 부호식 NRZ(Non-return to zero) 디지털 광 신호는 속도가 높아지면 문제가 발생하는데, 펄스 폭이 작아지면서 광 대역폭이 증가합니다. 광 대역폭이 증가하면서 가능한 최소 파장 간격도 증가합니다. 또한 증가된 광 대역폭은 색분산 및 편광 모드 분산(CD 및 PMD)을 악화시킵니다. 게다가 하이 로직(logic) 레벨에서 증가된 출력은 광섬유 내의 비선형 상호 작용을 악화시키고 잡음을 발생시킵니다.

E/O & O/E

광섬유 및 자유 공간(중력·전자장이 존재하지 않는 절대 0도의 공간) 광 통신 대역폭이 증가하면서 초고속 광 변조기와 감지기에 대한 필요성도 증가했습니다. 이러한 전기적-광학적(E/O, 때에 따라 레이저와 통합된 변조기) 및 광학적-전기적(O/E, 감지기 및 리시버) 컨버터의 주파수 응답 특성은 대역폭, 평탄도, 위상 선형성 등과 같은 파라미터에서 중요할 수 있습니다. VNA에는 이러한 종류의 분석에 이용할 수 있는 다양한 측정 유틸리티가 있으며, O/E 보정 모듈과 결합하여 일부 레벨의 측정 결과 추적이 가능합니다.

Products

RF VectorStar 제품군,µW, mmW VNA MS4640B 시리즈

MS4640B Series

70 kHz to 70 GHz

VectorStar Broadband VNA ME7838A

ME7838A/E/D

70 kHz to 110 GHz

ME7838A4

ME7838A4

VectorStar 4 포트 광대역 VNA ME7838A4

Shockline 2-Port Performance RF VNA MS46522B

MS46522B

50 kHz - 4.5/8.5 GHz

ShockLine 4-Port Performance RF VNA MS46524B

MS46524B

ShockLine 4 port performance VNA
50 kHz - 8.5, 20, 43.5 GHz freq
140 dB max Dynamic Range

mp2100b-small

MP2100B

All-in-One 4ch BERT (12.5 Gbit/s max.) + Sampling Oscilloscope

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