转换示波器采集以去嵌入、嵌入和仿真通道效应

基于 S 参数系列转换示波器数据，实现通道效应的去嵌入、嵌入与仿真

要想精确可靠地分析当今高速数字系统的信号数据，首先需要彻底了解数据采集分析理论。设计人员在了解理论和工具的相关知识 后，可以精确而高效地建立器件特性模型。这些知识能让工程师一次性开发出最佳设计，实现效率最大化，并可优化他们的价值主张。

为操作示波器采集以找到工程师想要看到并测量的信号，我们编写了 6 篇文章，通过详细的通道元素测量和建模，为高速数字系统设计人员和验证工程师提供指导，本文是其中第一篇。如果真实信号（基于各种原因）无法探测或者探测位置与预想位置不同，或者测量元素自身（如探头）影响测量结果并且需要从报告的测量结果中去除，那么需要进行额外处理。

大约十年前，电子行业放弃传统的并行总线接口，开始采用串行拓扑。乍看上去，这似乎有一点奇怪。因为要获得同样有效的吞吐量，总线时钟速率至少要乘以 8 的系数，它还意味着数字设计人员需要成为新模块的专家，例如锁相环技术；而这在传统上是模拟设计人员的领域。当前的问题是集成电路受到输入输出的限制；这不是内部功能问题，而是要获得进出器件的信号。此外，使用 FR-4 制造的低级印刷电路板，在某种意义上，已成为昂贵的商品——为保持利润空间，必须使用低成本材料，而采用八位并行总线是对路由体积的浪费。弃用这项技术便是要向更高的数据速率以及设计中使用的微波原则迈进。

我们现在将这个工程领域称为信号完整性。信号完整性从业者要解决的问题是：在将数字数据从数字发射机通过通道传送至接收机时会产生无数问题。在每秒数千兆位（Gbs）的速率下，传输路径中的任何因素都会在一定程度上影响信号。开发人员和设计人员必须了解最重要的因素是什么，如何建立模型和进行测量。只有在了解这些因素之后，他们才能使用仿真器或其他测量设备来帮助了解和优化系统性能。工程师从事信号完整性研究的目的与对测量结果的仿真有关。

从事高速数字领域的工程师虽不必成为信号完整性专家，却必须要了解信号完整性问题。例如，验证和设计工程师需要了解如何解决远程指定信号特征问题，但却不必担心 FR-4 因湿度导致的损耗因数。他们还希望使用测量或仿真模型来运行某些系统场景，查看改变一个元素特性或同时改变多个元素所带来的影响。这些元素可能是印刷电路板传输线、电路板上的过孔、连接器、电阻、电感、电容，甚至是探头自身。有时，其中一个元素可能就是另一个设计，其唯一的目的就是在某些点能够测量发射出的信号。

它们被称作“夹具”，尽管它们可能具有卓越品质，但也会对测量产生影响，有时必须加以考虑。在评测这些系统时，最终要使用示波器来查看信号。即使信号位置难以访问或在采集时会受到系统元素的影响，或是由添加的元素驱动，系统也可进行建模，并推导出实际信号的精确仿真。是德科技已开发出了一系列的工具，可以高效用于测量这些元素，从仿真推导模型，更精确地过滤测得数据，并最终精确表征感兴趣的信号。

基于硬件的协同仿真时代来临

无论使用探头还是测试夹具进行测量，验证任务均会不可避免地变成协同仿真处理。协同仿真，即仿真与测量相结合，能够显示出单纯测量无法显示出的问题。它能显示出如果未受外来电路的影响时——在进行物理测量时外来电路不存在，测量信号将会是什么样子。它还可显示另一面——如果测得的信号未受到物理测量路径中存在的外来电路（寄生现象）的影响，测得信号将是什么样的。它甚至可显示如果不在实际测量的物理位置，而是在其他位置，它将是什么样的。

协同仿真的使用历史已有数十年之久，工程师通过它从示波器提取测得波形并导入 EDA 仿真工具中。虽然它极具影响力，但同时又非常繁琐和耗时。现代的高性能示波器现在能够直接在示波器上对实时测得波形进行协同仿真。这些协同仿真只是简单地对测得波形进行变压。使用一个可能有增益的线性滤波器来渲染不同视图的测得波形——也就是将示波器的测得波形转换到过滤波形，渲染出如果测量电路发生更改，信号仿真将是什么样的。如果被测电路要通过移除元件进行更改，这一过程通常被称为去嵌入。如果通过添加元件来更改，则被称为嵌入。在任何情况下，执行这些测量到仿真信号视图的关键就是创建电压传递函数，将物理测量结果转换为目标测量结果。这是最终了解测得结果的第一步。

并非所有示波器去嵌入应用均是从复杂的电路模型生成相关的传递函数。有些应用只是从 S 参数文件中简单提取的 S21 分量并将其直接用作嵌入应用的传递函数，或将其倒数作为去嵌入应用的传递函数。

传递函数推导

推导滤波器传递函数需要定义两个电路。第一个电路可以精确反映工作台上的现有测量条件，包括示波器观测点（示波器的前面板输入连接器或探头）。第二个电路反映的是目标测量条件。例如，假设电源被测件（DUT）和示波器之间有一条电缆。目标是去除电缆的效应（去嵌入）。在此情况下，测量电路将表现为在电源和示波器通道输入之间存在一条电缆。

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