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中心議題：

• 眼圖醫(yī)生和HSPICE仿真結(jié)果和實(shí)際測試波形對比
• 為高速背板設(shè)計(jì)提供新思路 

解決方案：

• 眼圖醫(yī)生預(yù)加重/去加重仿真等功能是系統(tǒng)調(diào)試的好工具
• HSPICE在使用S參數(shù)模型時(shí)需要注意以避免仿真結(jié)果出錯(cuò)

摘要：本文使用力科示波器的眼圖醫(yī)生軟件和Synopsys公司的HSPICE仿真同一個(gè)背板系統(tǒng)，并把兩種方法的仿真結(jié)果和實(shí)際測試波形對比，分析和驗(yàn)證了兩種方法的精度與優(yōu)缺點(diǎn)，對于高速背板設(shè)計(jì)提供了新的思路。

關(guān)鍵詞：眼圖醫(yī)生（Eye Doctor） HSPICE  信號完整性仿真

眼圖醫(yī)生與HSPICE簡介
眼圖醫(yī)生（Eye Doctor）是力科于2006年推出的用于高速串行數(shù)字電路設(shè)計(jì)的強(qiáng)大工具，集成在高帶寬示波器中，包括了虛擬探測（virtual probing）與接收端均衡（receiver equalization）兩部分，主要用于通訊背板設(shè)計(jì)、高速串行信號一致性測試、高速SERDES芯片均衡器的優(yōu)化與設(shè)計(jì)等等。在2009年2月，力科發(fā)布了新一代的眼圖醫(yī)生II，提供了更強(qiáng)大的分析能力與良好人機(jī)界面。如下圖1所示，利用Eye Doctor的信道仿真功能，可以用示波器測量到的TX端發(fā)送的波形，在Eye Doctor II中導(dǎo)入信道的S參數(shù)模型文件，計(jì)算出通過信道后RX端的信號波形、眼圖與抖動(dòng)，其功能類似于EDA的SI仿真工具。 SPICE是Simulation Program with IC Emphasis的簡寫，在1972年由加州大學(xué)伯克利分校電機(jī)工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系發(fā)明，主要用于集成電路的仿真與分析。隨著現(xiàn)代微電子工業(yè)的發(fā)展，商業(yè)化的SPICE軟件不斷涌現(xiàn)，其中，Synopsys公司的HSPICE是目前最常用的電路仿真軟件。在GHz互連系統(tǒng)的信號完整性仿真中，IC制造商通常提供了高速收發(fā)器的加密的HSPICE模型，使用HSPICE仿真軟件可以順利的讀取加密的HSPICE模型，而與信號完整性仿真相關(guān)的S參數(shù)模型和IBIS模型，HSPICE仿真器都可以直接進(jìn)行分析與計(jì)算，由于HSPICE軟件良好的計(jì)算精度、收斂性和模型兼容性，所以，被業(yè)界公認(rèn)為高速數(shù)字電路的信號完整性仿真的最好的工具之一。

測試和仿真平臺介紹
對比分析的工作環(huán)境如圖2所示：信號源為某PCIe顯卡發(fā)送的2.5Gbps的信號，信道為某DEMO板上24英寸長的傳輸線，接收端為兩個(gè)50歐的電阻。分別在三種情況下進(jìn)行分析：
1. 實(shí)測RX端波形：如圖2所示，用示波器直接測量2.5Gbps的PCIe信號通過24英寸傳輸線后的接收端波形，示波器的兩個(gè)通道都設(shè)置為50歐，即模擬差分100歐的負(fù)載。在三種情況對比中以此測試結(jié)果作為參考。

2. 使用眼圖醫(yī)生仿真背板系統(tǒng)：PCIe顯卡發(fā)送出的信號通過SMA電纜連接到示波器，即直接測量發(fā)送端的波形，把背板（即24英寸傳輸線）的S參數(shù)文件調(diào)入眼圖醫(yī)生軟件，仿真出該信號通過背板后的波形（即RX的波形）。

3. 使用HSPICE仿真背板系統(tǒng)：PCIe顯卡發(fā)送出的信號通過SMA電纜連接到示波器，即直接測量發(fā)送端的波形，保存波形為文本格式后，修改為HSPICE的PWL格式的信號源，放入HSPICE仿真器中作為驅(qū)動(dòng)端，把背板（即24英寸傳輸線）的S參數(shù)文件調(diào)入HSPICE軟件，接收端為2個(gè)50歐電阻，用HSPICE仿真出接收端上的電壓波形（注：仿真使用的HSPICE版本為2008.03）。 實(shí)驗(yàn)使用的信道是24英寸線長的傳輸線，如下圖3所示，傳輸線的兩端有SMA連接頭，可以用同軸電纜方便的連接網(wǎng)絡(luò)分析儀或者示波器。使用了網(wǎng)絡(luò)分析儀測試其S參數(shù)，掃頻范圍從10MHz到20GHz，頻點(diǎn)間隔為10MHz。信號源的速率為2.5Gbps，重復(fù)發(fā)送碼長（Pattern） 為640個(gè)比特的數(shù)據(jù)，則一幀數(shù)據(jù)的時(shí)長為640乘以1個(gè)比特（400ps），即256ns。在示波器測試中，我們抓取了1000ns的數(shù)據(jù)，TX端測量到的波形保存為擴(kuò)展名txt的文本格式，修改格式后用于HSPICE仿真的驅(qū)動(dòng)源。如圖4所示，左圖為力科示波器保存的波形文件，右圖為修改為HSPICE中的PWL格式的信號源，由于是差分信號，兩路信號分別命名為PCIe_TX_N.dat和PCIe_TX_P.dat后保存在與HSPICE網(wǎng)表同一文件夾，作為HSPICE網(wǎng)表的信號源來使用。 HSPICE的網(wǎng)表文件如下，共仿真了800ns時(shí)間，去掉了起始150ns的不穩(wěn)定的波形：
******************* Compare Eye doctor with HSPICE ***********************
.TRAN 50p 800n start=150n
.print tran v(rx_p,rx_n)
.probe v(rx_p) v(rx_n)
************************************************************************
**** RX
Rb rx_p gnd 50
Rc rx_n gnd 50
************************************************************************
**** Channel
s1 vinp vinn rx_p rx_n gnd mname=smodel
.model smodel s
+ tstonefile="lattice_even.s4p" fbase=10e6 fmax=20e9 delayhandle=1
************************************************************************
**** Stimulus signal is measured with LeCroy scope at TX side.
**** TX
.include ''''''''''''''''PCIe_TX_N.dat''''''''''''''''
.include ''''''''''''''''PCIe_TX_P.dat''''''''''''''''
************************************************************************
.end
使用力科眼圖醫(yī)生來仿真RX端結(jié)果的操作非常簡單（如圖5所示），無需編輯網(wǎng)表文件，在圖形用戶界面中可以調(diào)入S參數(shù)文件，觀察仿真出來的RX端的波形。 眼圖醫(yī)生與HSPICE仿真的結(jié)果分析
下面將從仿真時(shí)間、精度方面做一個(gè)對比。
1. 仿真時(shí)間
HSPICE：在CPU P4 3.06G，內(nèi)存DDR 1G的電腦平臺上仿800ns長的波形花了約43分鐘。
Eye Doctor II：幾秒鐘內(nèi)就計(jì)算出了50us長的波形，幾乎可以做到實(shí)時(shí)測量、實(shí)時(shí)計(jì)算出結(jié)果。
2. 仿真精度
實(shí)測波形，HSPICE、Eye Doctor II仿真結(jié)果3者的波形對比如下： 對比發(fā)現(xiàn)，無論在低頻還是高頻碼型，Eye Doctor II與實(shí)測RX的結(jié)果吻合得更好一點(diǎn)（見圖8），而HSPICE在低頻碼型（長1或長0）時(shí)，仿真的信號幅度偏高，并且有回鉤（見圖7）。

眼圖醫(yī)生軟件在信道仿真的原理為：根據(jù)信道的S參數(shù)模型生成幾個(gè)FIR濾波器（比如2端口S參數(shù)模型生成4個(gè)FIR濾波器，關(guān)于FIR濾波器可以在網(wǎng)上搜索“有限沖激響應(yīng) wiki”查詢到相關(guān)知識介紹，輸入信號與FIR濾波器的沖激響應(yīng)卷積后即可得到通過信道后的輸出信號（比如接收端的信號），其中FIR濾波器的準(zhǔn)確性決定了信道仿真的精度，在眼圖醫(yī)生軟件中，通過缺省的FIR濾波器優(yōu)化算法，可以保證在全頻帶的仿真結(jié)果接近實(shí)測結(jié)果。從圖8的波形對比可以看到力科眼圖醫(yī)生的準(zhǔn)確性。

HSPICE中對于S參數(shù)模型在時(shí)域中進(jìn)行計(jì)算，據(jù)筆者分析，可能也使用了FIR濾波器的方法，其FIR濾波器的參數(shù)跟S參數(shù)模型的調(diào)用語句中fbase緊密相關(guān)。Fbase較小時(shí)，IFFT的頻點(diǎn)密集、頻譜分辨率較高，F(xiàn)IR濾波器的時(shí)域沖激響應(yīng)的點(diǎn)數(shù)比較密集，反之則FIR濾波器的沖激響應(yīng)的點(diǎn)數(shù)比較稀疏。輸入信號與前者進(jìn)行卷積運(yùn)算時(shí)比較耗時(shí)，與后者進(jìn)行卷積運(yùn)算時(shí)比較省時(shí)。是否Fbase越小，精度越高？答案是不一定。當(dāng)Fbase較大時(shí)，可能對沖激響應(yīng)的主脈沖之外一些矮脈沖欠采樣，卷積后的計(jì)算結(jié)果更接近實(shí)測值。

在圖9中分別為fbase=30/40/50MHz時(shí)，HSPICE仿真出的接收端波形。可以看到fbase=50MHz時(shí)，低頻的碼型（長1或長0）幅度較低些，與實(shí)測RX端波形的比較接近。在使用HSPICE仿真時(shí)，fbase=50MHz時(shí)的仿真時(shí)間遠(yuǎn)小于最開始的頻率設(shè)置（fbase = 10MHz）。在圖10中，對比了fbase=50MHz時(shí)HSPICE仿真的RX端波形與實(shí)測波形，兩者一致性比較好。

通過這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)說明在使用HSPICE進(jìn)行S參數(shù)的信道仿真時(shí)必須準(zhǔn)確合理的設(shè)置S參數(shù)文件的fbase，而力科眼圖醫(yī)生軟件內(nèi)嵌的優(yōu)化算法可以自動(dòng)設(shè)置信道的相關(guān)參數(shù)，得到比較精確的仿真結(jié)果。

在對比實(shí)測RX波形、HSPICE仿真、眼圖醫(yī)生仿真三種情況時(shí)，如下一些因素導(dǎo)致了計(jì)算結(jié)果的差異：
1. 實(shí)測RX波形時(shí)，信號源與信道連接使用了2根SMA同軸電纜，信道另一端與示波器連接又使用了2根SMA同軸電纜；而HSPICE和眼圖醫(yī)生仿真都是信號源與示波器用2根SMA同軸直接相連，沒有考慮另外的2根SMA同軸電纜。
2. HSPICE和眼圖醫(yī)生仿真時(shí)接收端為兩個(gè)理想的50歐電阻，而另外一種情況實(shí)測接收端波形時(shí)負(fù)載是示波器的通道，盡管其阻抗為50歐，但是與理想的50歐電阻還是有區(qū)別的。