做好模擬/測試基本功，高速介面攻克訊號完整性挑戰

高速數位介面傳輸速率不斷翻升，使得訊號完整性的設計備受挑戰，唯有善加運用量測儀器與模擬軟體工具，才能盡早找出破壞訊號一致性的根本原因，打造出更高效能的高速數位電子產品。

5G行動通訊時代來臨、4K8K高畫質影音應用擴展，以及高效能運算(HPC)和超大規模資料中心(HDC)崛起，在在推動數位資料量指數增長，也促使高速介面技術規格加速升級換代。

以應用最為廣泛的USB介面為例，2022年9月1日正式發布USB4 2.0新規範，將資料傳輸率從USB4 v1.0的40Gbps翻倍至80Gbps。康祥電子台灣分公司總經理鍾軒禾(圖1)指出，除了傳輸性能翻番外，USB4 2.0新規格還支援更高充電功率及更新的DisplayPort協議，同時還保留一貫的向下兼容性，能夠完整的向下兼容USB4、Thunderbolt3、USB 3.x、USB 2.0乃至更早的協議，將可為USB Type-C生態系統提供更高性能的支持，為實現元宇宙等新興應用奠定更好的發展環境。

然而，高速訊號傳輸帶來諸多挑戰，包括訊號干擾與傳輸損耗，電路板設計布局、連接器與纜線設計均更加要求，必須透過更嚴謹的系統化整合設計，

強化高速訊號完整性(Signal Integrity, SI)，才能有效解決干擾、衰減、串音等問題。此外，在高速傳輸介面設計時，纜線、連接器、電路板每一段的匹配與連續性都非常重要，只要一個部分出現問題，整體系統的效能就會大打折扣。

是德科技(Keysight)技術專案經理余宥浚(圖2)分析，高速數位介面設計之訊號完整性非常重要，影響訊號一致性的問題會發生在許多地方，包括IC封裝、印刷電路板、連接器、背板、纜線等處，隨著傳輸速率愈來愈快，訊號完整性的挑戰也愈來愈棘手。

常見用來克服訊號衰減的方法，是採用差動(Differential)設計，來進行訊號合成，藉此達成較高的雜訊免疫力、更高的訊號衰減邊限、更低的操作電壓，同時降低電磁干擾，不過也因其採用雙走線設計，易造成占位面積較大的問題。

揪出SI問題點儀器/模擬工具不可少

余宥浚表示，為更好的掌握訊號完整性的表現，一般會使用網路分析儀(VNA)或時域反射儀(Time Domain Reflectometer, TDR) 來進行量測，並借助儀器所提供的軟體工具，分析訊號眼圖及抖動(Jitter)情形。

他以抖動分析為例進一步說明，總抖動本身又分確定性抖動(Deterministic Jitter, DJ)和隨機性抖動(Random Jitter,RJ)兩大部分，其中確定性抖動是主要分析重點，又可再細分為資料相依抖動(DDJ)和非資料相依抖動(BUJ)，藉由雙狄拉克模型(Dual Dirac Model)可以深入進行剖析，這些都可利用儀器商所提供的軟體工具快速完成。

除此之外，遠端(Far End)的測試在高速數位訊號設計時也愈來愈被看重，因為它是實際影響訊號品質的關鍵，此時可能會需要像嵌入(Embedding)或去嵌入(De Embedding)的功能，透過儀器商的軟體工具如是德的Infiniisim，就可提供此類功能，讓開發人員可以更準確的進行量測。

除了借力量測儀器的協助外，善用模擬分析驗證軟體亦可達到提高產品訊號完整性的設計目的。

士盟科技技術副理林濬弘(圖3)分析，隨著訊號愈來愈高速，運作的頻率也愈來愈高，近來在許多客戶案例中可以發現，其實EMC、EMI和SI的問題，已開始有點交雜，而透過該公司所代理的達梭系統(Dassault Systèmes)SIMULIA多款分析軟體，則可用更高效準確的方法，找出造成訊號不一致問題的原因，實現高速訊號產品的SI分析與驗證。

林濬弘進一步強調，一旦到了樣品階段才驚覺原本的設計不理想，而要重新打掉重練，將付出極大的成本代價，而藉由模擬軟體的協助，就可在產品設計初期透過建模方式重複進行模擬驗證，以找到最佳的設計方案。

一般來說，訊號完整性的模擬分析項目大致包括傳輸耗損、反射耗損、近端串音、遠端串音、阻抗、眼圖、延遲及電磁輻射等；此外，還有一塊也非常重要，但少被提出來探討的是電源完整性(Power Integrity)。

林濬弘解釋，當設計系統愈來愈複雜時，電流或電壓的分布常會呈現不均衡狀態，這在電路設計上會導致某些模組或區塊的電壓不足，而過度集中在某個地方，造成熱的問題。

在電子產品中，熱如果過於集中，會降低周圍模組的使用壽命，晶片的效能也會下降，所以在進行模擬分析時，電源完整性分析也是很重要的一環。另外，過往為了避免電路耦合效應，會使用很多去耦合電容，導致過度設計；透過軟體模擬，也可以找到最佳的設計點，最佳化去耦合電容設計。

面對各種高速傳介面技術規格不斷演進升級，相關測試和驗證的重要性與挑戰性勢將愈來愈大。技流科技台灣技術經理林志徽(圖4)指出，無論PCIe、USB或DisplayPort等技術規格都持續朝更高資料率發展，且各自都有不同的測試項目要求規範，因此善用自動化測試工具與服務，將可讓開發人員輕鬆、高效、靈活地驗證設計，達到事半功倍的效果。