高速数字接口原理与测试指南

深入浅出，阐述高速数字原理

追本溯源，探究测试方法精髓

图文并茂，剖析前沿测量方案

娓娓道来，洞察现代电子趋势

本书结合作者多年从事高速数字设计和测试的经验，对高速数字信号的基本概念、测试理念、测试方法及发展趋势进行更深入的解读和浅显易懂的阐释。本书可用于指导相关设计、开发、测试人员的工作，也可供广大电子行业的技术爱好者做为科普读物了解当今电子系统的发展趋势。

本书的特点是深入浅出并结合实际应用。书中没有复杂的公式和数学推导，所有重要的概念都是结合实验和实测数据进行生动的讲解，即使只掌握基本数字电路基础知识的本科生读起来也不会觉得费劲。本书的内容大多是现代高速数字电路的关键的技术，了解了这些技术的来龙去脉后，再深入学习或阅读专业技术文章就会更加得心应手。由于作者多年的实际应用经验积累及悉心整理，书中还提供了大量精美图片，包括实际波形、测量数据、常用仪表、技术方案等，这些都和电子工程人员的日常实际工作息息相关，可以帮助读者直观了解到当今的技术发展水平及业界领先的测试方法。

《高速数字接口原理与测试指南》结合作者多年从事高速数字设计和测试的经验，对高速数字信号的基本概念、测试原理进行讲解，同时结合现代计算机、移动设备、有线通信、航天设备里新的高速数字接口，对其关键技术、测试方法等做详细介绍和总结，以便于读者理解和掌握高速数字接口的基本原理、实现技术、测试理念以及其发展趋势。

《高速数字接口原理与测试指南》主要分为两个部分： 上半部分是高速数字信号的基本概念和测量原理； 下半部分是常用高速数字接口总线的技术特点和测试方法。

《高速数字接口原理与测试指南》可供从事计算机、移动终端、有线通信、航空航天设备开发的工程人员了解学习高速数字总线的相关技术，也可供高校工科电子类的师生做数字电路、信号完整性方面的教学参考。

李凯，毕业于北京理工大学光电工程系，硕士学位，曾在国内知名通信公司从事多年硬件研究。2006年加入安捷伦公司，负责高端示波器、逻辑分析仪、信号完整性分析等高速数字测试产品的应用和研究。对于通信、计算机等行业有深入认知，对信号完整性、嵌入式系统、高速总线、可编程逻辑、时钟、电源等电路的设计和测试有深刻理解。作为高速数字测试领域的专家，李凯利用业余时间撰写了大量关于高速信号测量原理、测量方法的文章并发布在《国外电子测量技术》、《电子工程专辑》等专业杂志以及IEEE ICCP、EDI CON等专业论坛大会上，同时在EDN China网站开设有个人技术博客。

‍‍随着高性能计算集群性能的不断提升以及云计算、大数据技术的兴起，服务器的板内互连和服务器间的网络带宽都得到极大提升。伴随产生的高速系统信号完整性建模、仿真、分析、测量、回归验证成为高速板卡研发的重要课题。业内亟需一本涵盖高速理论又结合测量实践的书籍，以指导高速信号系统研发的硬件工程师、信号/电源完整性工程师从事研发和设计工作。李凯高级工程师的这本《高速数字接口原理与测试指南》很好地阐述了这两方面内容，理论阐述清晰，实践案例丰富详尽。推荐各位有志于高速系统设计研发的同仁作为工作指导书。

―曙光信息产业股份有限公司信号完整性实验室主任 陈进

这本书不但介绍了数字信号测试的原理和实例，还专门用了三章的篇幅介绍了数字示波器等常用仪器的一些重要的技术概念，合理运用这些技术概念将能帮助测试工程师们更好的“榨干”测试设备所有潜能，高效地完成测试工作。

―中国计量科学研究院示波器计量校准专家 缪京元

随着云计算和４Ｇ移动通信的发展，带来了对于高速数据传输需求的爆炸式增长，带有高速数字接口的设备在我们的身边急剧普及。而对这些技术的系统化总结和技术普及则相对大大滞后，目前市面上缺少能够理论结合实践、对当前新的高速信号发展技术做系统介绍的书籍。李凯是数字测试领域的年轻技术专家，本书对高速数字信号及高速总线的原理和测量方法做了详细介绍和总结，是其多年实践经验以及对高速信号理论理解的全面总结。本书内容详实，图文并茂，附有大量世界newest and top仪表的实验测量数据和截屏，对于帮助电子工程师们理解和掌握newest高速数字接口技术、测试理念及未来发展趋势有很大帮助。李凯先生能在百忙之中利用业余时间撰写此书，非常难能可贵，也是数字电子测试领域一大幸事。

―历任HP、Agilent、Keysight公司资深高管 兰涛

李凯对技术有着不疯魔不成活的态度，他决心要掌握的技术，其前世今生甚至来世，都研究个透。听说他要写一本关于高速数字接口方面的书，由衷地替他高兴，也替潜在的读者高兴。搞技术需要脚踏实地的作风，需要沉淀后乐于分享的境界，这两点，李凯都做到了。

―Keysight公司（原Agilent电子测量事业部）数字测试市场经理 杜吉伟‍‍

上部 高速数字信号测量原理
第1章 无处不在的数字接口

第2章 数字信号基础
2.1 什么是数字信号(Digital Signal)
2.2 数字信号的上升时间(Rising Time)
2.3 数字信号的带宽(Bandwidth)
2.4 数字信号的建立/保持时间(Setup/Hold Time)
2.5 并行总线与串行总线(Parallel and Serial Bus)
2.6 单端信号与差分信号(Single-ended and Differential Signals)
2.7 数字信号的时钟分配(Clock Distribution)
2.8 串行总线的8b/10b编码(8b/10b Encoding)
2.9 伪随机码型(PRBS)
2.10 传输线对数字信号的影响(Transmission Line Effects)
2.11 数字信号的预加重(Pre-emphasis)
2.12 数字信号的均衡(Equalization)
2.13 数字信号的抖动(Jitter)
2.14 扩频时钟(SSC)

第3章 数字测试基础
3.1 数字信号的波形分析(Waveform Analysis)
3.2 数字信号的眼图分析(Eye Diagram Analysis)
3.3 眼图的参数测量(Eye Diagram Measurement)
3.4 眼图的模板测试(Mask Test)
3.5 数字信号抖动的成因(Root Cause of Jitter)
3.6 数字信号的抖动分解(Jitter Seperation)
3.7 串行数据的时钟恢复(Clock Recovery)
3.8 示波器的抖动测量能力(Jitter Measurement Floor of Scope)
3.9 相位噪声测量(Phase Noise Measurement)
3.10 传输线的特征阻抗(Characteristic Impedance)
3.11 特征阻抗的TDR测试(Time Domain Reflectometer)
3.12 传输线的建模分析(Transmission Line Modelling)

第4章 实时示波器原理
4.1 模拟示波器(Analog Oscilloscope)
4.2 数字存储示波器(Digital Storage Oscilloscope)
4.3 示波器的带宽(Bandwidth)
4.4 示波器的频响方式(Frequency Response)
4.5 示波器带宽对测量的影响(Bandwidth Impact)
4.6 示波器的带宽增强技术(Bandwidth Enhancement Technology)
4.7 示波器的频带交织技术(Bandwidth Interleaving Technology)
4.8 示波器的采样技术(Sampling Technology)
4.9 示波器的分辨率(Vertical Resolution)
4.10 示波器的直流电压测量精度(DC Voltage Accuracy)
4.11 示波器的时间测量精度(Delta-Time Accuracy)
4.12 示波器的等效位数(ENOB)
4.13 示波器的高分辨率模式(High Resolution)
4.14 示波器的内存深度(Memory Depth)
4.15 示波器的死区时间(Dead Time)
4.16 示波器的显示模式(Display Mode)
4.17 示波器的触发(Trigger)
4.18 示波器的触发条件(Trigger Conditions)
4.19 示波器的触发模式(Trigger Mode)
4.20 示波器的测量速度(Measurement update rate)
附录 Agilent 公司90000X系列高端示波器原理

第5章 示波器探头原理
5.1 高阻无源探头(High Impedance Passive Probe)
5.2 无源探头的常用附件(Passive Probe Accessories)
5.3 低阻无源探头(Low Impedance Passive Probe)
5.4 有源探头(Active Probe)
5.5 差分探头(Differential Probe)
5.6 电流探头(Current Probe)
5.7 高灵敏度探头(High-sensitivity Probe)
5.8 探头连接前端对测量的影响(Probe Head)
5.9 探头衰减比对测量的影响(Probe Attenuation Ratio)
5.10 探头的校准方法(Probe Calibration)

第6章其他常用数字测量仪器

6.1采样示波器(Sampling Oscilloscope)

6.2矢量网络分析仪与TDR(VNA and TDR)

6.3逻辑分析仪(Logic Analyzer)

6.4协议分析仪(Protocol Analyzer)

6.5误码分析仪(Bit Error Ratio Tester)

附录1Agilent公司U4154A逻辑分析仪简介

附录2示波器协议解码功能和协议分析仪的区别

第7章常用测量技巧

7.1电源纹波噪声测试方法

7.2时间间隔测量

7.3如何用示波器进行ps级时间精度的测量

7.4怎样测量PLL电路的锁定时间

7.5T型头和功分器的区别

7.6如何克服测试电缆对高频测量的影响

第8章用多台仪器搭建自动测试系统

8.1自动化测试系统

8.2LXI测试系统的硬件平台

8.3LXI测试系统的软件架构

8.4LXI测试系统的优点

8.5LXI测试系统的兼容性问题

8.6LXI测试系统的时钟同步

8.7LXI测试系统的网络安全性

下部高速数字接口及测试方法

第9章PCIE简介及信号和协议测试方法

9.1PCIE总线简介

9.2PCIE 协会简介

9.3PCIE信号质量测试

9.4PCIE协议调试和测试

9.5PCIE测试总结和常见问题

第10章PCIE 3.0简介及信号和协议测试方法

第11章SATA简介及信号和协议测试方法

第12章Ethernet简介及信号测试方法

第13章MIPI DPHY简介及信号和协议测试方法

第14章MIPI MPHY简介及信号和协议测试方法

第15章存储器简介及信号和协议测试

第16章USB 2.0简介及信号和协议测试

第17章USB 3.0简介及信号和协议测试

第18章HDMI 简介及信号和协议测试

第19章MHL简介及信号和协议测试

第20章DisplayPort简介及信号测试

第21章LVDS传输系统简介及测试

第22章MILSTD1553B简介及测试

‍‍随着云计算和4G移动通信的推进，终端和网络设备都面临巨大的挑战。对于移动通信的终端设备来说，除了在无线传输接口上要采用LTE等全新的标准以外，其发展趋势是移动终端和PC、多媒体功能的融合，设备内部因此需要支持更高的基带和射频模块间的数据交互、更大的存储和数据处理能力、更高分辨率的显示屏和摄像头，因此各种全新的高速接口出现在移动终端设备的内部或者外部。而对于网络设备来说，为了支持分布式计算需要的更快的数据处理能力和更高的数据交换速度，各种声音、图像、数据、网页等服务器的处理和存储能力以及路由器、交换机、传输网的数据交换能力也得到百倍以上的倍增，因此服务器、路由器、交换机上大量采用10G、40G的数据接口进行数据交互，而100G甚至400G的传输接口也开始出现。这些高速接口的设计、测试和验证需要非常多的资金投入，给从事相关设备的开发、设计、测试人员带来极大的挑战，兼容性问题和验证需求爆发式增长。

本书结合笔者多年从事高速数字设计和测试的经验，对高速数字信号的基本概念、测试原理进行讲解，同时结合现代计算机、智能移动设备、有线通信、航空航天设备中最新的高速数字接口的应用，对其关键技术、测试方法等做了总结和概括，以便读者理解和掌握现代电子设备中各种高速数字接口的基本原理和测试理念。

本书内容分为两个部分，上半部分(第1~8章)是高速数字信号的基本概念和测量原理，下半部分(第9~22章)是常用高速数字接口总线的技术特点和测试方法。

本书上半部分的第1～3章介绍高速数字信号的上升时间、带宽、建立/保持时间、并行总线/串行总线、单端与差分信号、时钟分配、编码方式、传输线的影响、预加重和均衡、抖动和扩频时钟等基本概念，并介绍数字信号的波形、眼图、模板、抖动、相位噪声、传输线影响的测试分析方法等。

本书上半部分的第4～8章重点介绍高速数字测试中最常用的实时示波器的基本概念、原理、指标含义、工作方式、测量精度以及探头的种类和选择依据，同时对另外一些常用的数字测量仪器如采样示波器、逻辑分析仪、误码分析仪、协议分析仪、阻抗分析仪、矢量网络分析仪的基本原理、应用领域以及相互之间的差异做了分析和比较。另外，对于一些常用的数字测量技巧以及多台仪表构建测量系统的基本方法也做了阐述。

通过上半部分的介绍希望可以帮助读者建立高速数字信号分析和测试的基本概念。

本书下半部分共14章主要针对具体应用，对计算机、智能移动终端、有线通信、航空航天领域常用的高速数字接口总线如PCIE、SATA、USB、Ethernet、MIPI、DDR、eMMC、UHS、HDMI/MHL、DisplayPort、LVDS、1553等总线的概念、应用领域、技术特点、测试方法等进行论述和整理。其中每一个测试方案的实现都是对本书上半部分介绍过的基本测试概念的应用和延伸，但是根据每个总线的不同特点又有区别和侧重。

另外，在本书中还列举了一些在具体测试中常见的问题，这些案例主要根据笔者和实际电子设计、测试人员交流中经常遇到的问题整理而成。希望通过理论和实际的结合，能够给从事高速数字电路开发和设计的工程师及高等院校从事高速数字电路教授和学习的广大师生提供帮助。

本书成书之时，原Agilent公司的电子测量仪器部门已经宣布将分拆成立一家新的公司，新名称为Keysight，因此本书中出现的原Agilent公司相关产品型号将会陆续更改为Keysight公司相关产品，特此说明。

本书在写作过程中，使用了一些原Agilent公司电子测量仪器部（现Keysight公司）的产品及方案资料，书中大量的实际测试波形由笔者借助于其开放实验室的设备完成，在此一并表示感谢。

本书可供从事计算机、移动终端、有线通信、航空航天设备开发的工程人员做应用指南，也可供高校工科电子类的师生做数字电路、信号完整性方面的教学参考。

编者

2014年7月‍‍