引言

在过去几年中，通信行业和计算机行业对准确的SPICE和IBIS模型的需求不断提高，以在千兆位速率范围内预测信号传播情况。在这些速率下，互连采取复杂的分布式结构，要求审慎的设计和分析技术。信号完整性成为实现数字系统设计的可靠性能的关键因素，并且其问题变得尤为明显，如频率相关传输和反射损耗、串扰、耦合和信号散射，特别在是互连结构电长度很长时。从设计人员角度看，电缆结构建模挑战日益显现，为精确地模拟及可靠地运行数字系统，必需解决这些挑战。本文详细介绍了使用IConnect 信号完整性软件通过时域 反射和传输 (TDR/T)测量生成InfiniBand电缆模型的方法。

InfiniBand电缆建模

众所周知，即使在低频时，互连结构也不是一条简单的导线。它具有某些特点，可能会表现出电阻、电感或电容特性。在信号达到千兆位范围时，互连变成一种具有一定时延的分布式结构。通常使用差分信令方案，改善高速互连的性能。

在InfiniBand电缆设计中，使用差分耦合线路的主要优势之一，提高了抗公共噪声的能力及降低了设备之间的电磁干扰(EMI)。可以用两种传播模式全面描述耦合结构：偶数和奇数。在使用其中一种模式对两条信号线的差分对执行信令时，信号会以没有失真的方式传播。由于系统噪声具有公共成分，因此使用奇数模式信号传输数据。奇数传播模式下的每条线路都承载幅度相同、但极性相反的单比特数据。在接收机一侧信号相减时，在理想情况下可以抵消公共噪声成分。

但是，物理环境并不是理想的。由于典型的InfiniBand电缆测试结构包含连接器、电路板轨迹、弯曲和其它不连续性等单元，即使在使用差分信令方案时仍会出现信号完整性问题。图1是InfiniBand速率运行的电缆组件的眼图闭合。发生这一眼图闭合的主要原因是电缆组件中的高频损耗。数字设计人员必须能够精确地预测和建模这些信号完整性问题的影响。

图1 在2.5Gbit/s和100ps 20-80%上升时间时对Infiniband电缆组件（略）

在制造电缆连接器组件时，作为整体系统的一部分，分析其性能至关重要。在这方面，基于测量的模型提供了更大的优势。如图2所示，典型InfiniBand电缆组件不连续和物理特点建模使用的电路单元值可以使用互连建模软件从时域测量数据中确定，互连建模软件是当前每个数字设计人员必不可少的工具。TDR示波器或矢量网络分析仪(VNA)与TDA Systems IConnect 软件相结合，根据实际环境测量生成精确的SPICE和IBIS模型，帮助在迅速变化的高科技行业中取得成功。

图2 4X Infiniband电缆组件由Meritec提供（略）


拓扑模型

目前有两种建模方法，可以用来建立InfiniBand电缆测试结构模型：行为模型和拓扑模型。表1比较了这两种方法。行为模型或数据驱动的模型根据被测波形的数学行为复现被测设备的行为。IConnect MeasureXtractor 建模技术可以自动提取两端口或四端口模型，其分别与单线电路和耦合线路电路相对应。拓扑模型表示被测结构的几何特点。使用拓扑模型建立InfiniBand电缆模型的最大优点是，设计人员能够考察各个组件，然后把这些组件拧在一起，实现希望的性能。 为建立拓扑模型，需要使用时域电压波形。首先可以使用TDR示波器获得这些数据。然后使用“剥离算法”反卷积真实的阻抗廓线，这种算法从测量中反嵌多个反射的效应。之后，可以直接从阻抗廓线中读取模型，如图3所示。这个实例说明了TDR测量的真实阻抗廓线怎样从结构的阻抗廓线中直接使用电路单元值。如果测得的值表明明显损耗，导致信号上升时间劣化，那么更适合的模型将是上文中描述的有损耗线路模型。这个模型将有效捕获频率相关的RLGC参数。此外，基于阻抗的模型和有损耗线路模型可以结合在一起，精确地表示设备在反射和上升时间劣化方面的影响。

图3 使用真实阻抗廓线建立互连拓扑模型（略）

根据应用要求，InfiniBand电缆组件的拓扑模型可以采取单端或耦合形式。例如，如果关注的主要问题是奇数传播模式，那么可以构建差分阻抗模型，分析设备的行为。这一模型将有两个端口，一个用于输入，另一个用于输出。但是，如果希望分析共模噪声抑制，那么最好选择全面耦合的模型。由于经过差分线路的任何信号都可以分解成偶数和奇数模式成分，因此全面耦合的模型描述了整个系统状况，其中假设相邻线路的串扰可以忽略不计。得到的模型实际上有4个端口：两个端口用于输入信号，两个端口用于输出信号。此外，可以修改全面耦合的模型，乘以串联阻抗，把模型的并联导纳矩阵除以2，把端接阻抗翻一番，以便用于差分驱动器。

表1：行为模型方法和拓朴模型方法比较（略）

图2是典型的InfiniBand电缆测试系统，其中包括测试卡及连接器，后面跟着多条没有耦合的轨迹、一个耦合锁存连接器和电缆本身。在差分信号通过被测设备 (DUT)传播时，会由于所有转换看到不连续点。因此，在建立拓扑模型时，最好考虑每个组件的影响。IConnect软件可以对各个部分获得电路模型，然后把它们组合到一个组件中。

数据采集

鉴于要在测得数据上进行建模，可靠地测量电缆组件至关重要。在这种情况下，首选提供大约20 GHz的高带宽TDR示波器。在使用高精度仪器的同时采用良好的测量方法至关重要，如：

在执行测量前，让仪器预热至少20-30分钟

执行要求的校准

使用优质低损耗电缆和探头

使用大量平均，降低噪声

使用最大数量的采集样点

根据示波器手册要求，校正TDR示波器中的通道偏移

如前所述，全面耦合的模型是一个4端口结构，为全面检定这一模型，最好使用具有四条通道的仪器，两条通道进行反射测量，两条通道进行传输测量。但是，在某些情况下，不可能获得全部四个端口的测量，IConnect可以为工程师提供一种方式，仅根据TDR 反射测量建立模型。表2列出了建立典型InfiniBand电缆模型推荐使用的波形。

表2：建立典型InfiniBand电缆模型推荐使用的波形（略）

在建立测试卡和电缆损耗模型时，时域采集窗口必须足够长，以捕获与DUT对应的所有转换。由于电缆组件是一种电长度很长的结构，因此可能需要多个全景屏幕图，以捕获这些数据。但是，在建立高速连接器模型时，最好使窗口保持相对较短，实现足够的分辨率，以分辨连接器细节。

建模流程

使用超快速上升时间采集的数据建立模型会导致不必要的复杂性。因此，在建模流程开始前，最好先确定测量上升时间或同等带宽等指标的有效范围。然后可以过滤波形，满足要求的规范。例如，被测波形使用100ps 20-80%上升时间进行过滤。鉴于电缆组件由电缆本身和测试卡组成，因此建模流程在整体上可以分成两个阶段：电缆损耗建模和测试卡建模。把测试卡和InfiniBand电缆互连起来的高速连接器作为这一流程的一部分建模。

电缆损耗建模

电缆组件的阶跃响应取决于频率相关传输线损耗。趋肤效应和介电损耗是导致信号上升时间和幅度劣化的两个主要因素，使对称耦合有损耗线路成为电缆损耗建模的完美选择，而趋肤效应则一般对电缆组件更具有主导作用。

图4 耦合的有损耗线路，建模值和测得值之间的关联（略）

在要求的波形加载到IConnect 建模窗口后，有损耗线路模型可以优化为非常高的精度。此外，IConnect支持用户手动输入，可以调节模型参数，在时域和频域中实现良好相关(如图4所示)。为提供良好的起点，可以使用数字电压表简单地测量DC 电路值，然后使用IConnect的“fix”功能进行固定，以进一步推进优化流程。在使用选择的连接模拟器检验对称的耦合有损耗线路模型时，可以保存检验结果，以备最后组装使用。为正确标度互连长度，用户可以使用IConnect有损耗线路建模程序中的定标功能。

测试卡建模

为确定哪些模型更适合模拟测试卡的行为，应分析IConnect生成的真实阻抗廓线。为此，我们对耦合线路应用剥离算法。图5说明了测试卡阻抗廓线中存在三个主要区域。在信号传播时，看到图6a所示的SMA连接器区域，接着进入轨迹区域。这两个区域表示未耦合的线路，可以使用未耦合的传输线建模。在信号到达图6b所示的锁存连接器时，它变成耦合相邻轨迹，这里最适合采用耦合的传输线模型。

图5 测试卡结构和模型拓朴的真实阻抗廓线。（略）

图6 对测试卡未耦合区域（a）和耦合区域（b）执行分区。它放在每个阻抗变化开始的地方。（略）

在测试卡电路模型的所有部分放在一起后，应用HSPICE模拟，检验建模数据集和测得数据集之间的关联，如图7所示。如果第二张子卡与以前生成的子卡相同，那么通过在SPICE/IBIS连线表中互换端口号码，可以重用电路模型。

图7 测试卡组件模拟波形和测得波形之间的关联（略）

InfiniBand电缆组件

在使用选择的电路模拟器检验测试卡和电缆获得的两个模型后，这两个模型可以组合成一个复合模型。在组合过程中，需要按比例缩小对称的耦合损耗线路模型的长度，以考虑电路模型中插入的单元长度。图8说明了完整的InfiniBand电缆组件得到的电路模型拓扑及测得数据和建模数据之间的关联。每个框表示复合模型的子电路。

图8 4x Infiniband电缆组件完整的模型拓朴及测得数据建模数据之间的关联（略）



使用眼图进行模型分析

用户通常希望使用眼图分析InfiniBand电缆组件不同部分的影响。拓扑模型特别适合此类分析，因为它可以在电路拓扑的每个阶段采集传输波形。一旦获得实际测量的良好近似结果，那么可以增加或去掉不同的设计组件。例如，为近似获得测试卡和电缆的眼图，可以使用模型仅对电缆及两端的两个连接器模拟测试卡和锁存连接器的传输波形。然后使用保存的波形，生成相应的眼图。

图9 对测试卡模型和连接器以2.5Gbit/s和100ps 20-80%上升时间生成的眼图（略）

图10 对电缆组件以2.5 Gbit/s和100ps 20-80%上升时间生成的眼图（略）

使用这种方法生成的眼图如图9和图10所示，表明测试卡对眼图闭合有着重大影响。单纯的测试卡会产生694mV和388ps的眼图张开，对以2.5Gbit/s和100ps 20-80%上升时间生成的眼图，峰到峰抖动是11.6ps；而电缆连接器模型则生成了484 mV和367 ps的眼图张开，相同条件下的峰到峰抖动是32.7 ps。

小结

本文详细介绍了4x InfiniBand电缆完整的建模方法。通过基于TDR的测量和分析技术，设计人员可以为整个千兆位系统互连建立准确可靠的模型。建立的模型表明了建模数据和模拟数据之间完美的相关性。