軍用嵌入式系統(tǒng)中更高的數(shù)據(jù)速率既是福音又是負擔：難以實現(xiàn)，甚至更難診斷和調(diào)試。然而，現(xiàn)代測試設(shè)備和相關(guān)軟件的功能使得處理信號完整性問題、難以探測的硬件和復雜的串行數(shù)據(jù)分析變得更加容易。

在每個原始設(shè)備制造商（OEM）市場中，嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計要求要求降低材料成本，縮短設(shè)計和調(diào)試周期，并在可能的情況下快速升級到當前技術(shù)。無人機（UAV）等平臺的軍事開發(fā)計劃也不例外，并且一直是開放式商用現(xiàn)貨（COTS）架構(gòu)的最廣泛采用者之一，以降低成本和設(shè)計周期時間。

然而，今天的COTS平臺正在提供更高的數(shù)據(jù)速率。此外，高清數(shù)據(jù)的無線流需要高速處理，雷達、電子戰(zhàn)和通信的所有類型的下一代軍用電子設(shè)備也是如此。

信號完整性分析

最新一代開放式 COTS 架構(gòu)提供的不斷提高的數(shù)據(jù)速率轉(zhuǎn)化為從芯片級一直到系統(tǒng)級的復雜信號完整性問題。一般來說，軍用嵌入式系統(tǒng)正在以更快的系統(tǒng)處理器和背板的形式進行硬件升級。從思科系統(tǒng)和瞻博網(wǎng)絡等網(wǎng)絡基礎(chǔ)設(shè)施供應商那里獲得啟示，BAE系統(tǒng)公司、洛克希德·馬丁公司和雷神公司等主要軍事承包商采用了數(shù)據(jù)速率超過10 Gbps的下一代芯片組。

解決信號完整性問題的一種方法是采用網(wǎng)絡分析。除了非常昂貴之外，傳統(tǒng)的矢量網(wǎng)絡分析儀（VNA）也非常難以使用。新一代信號完整性網(wǎng)絡分析儀通過單個USB連接直接連接到被測設(shè)備和基于PC的軟件，從而避免了這些問題。

這些儀器，其中一個例子是泰萊迪恩·勒克羅伊的SPARQ信號完整性網(wǎng)絡分析儀，可以快速測量多端口S參數(shù)。SPARQ分析儀等儀器可快速檢定多端口器件，用于開發(fā)基于測量的仿真模型、設(shè)計驗證、一致性測試、高性能時域反射儀和印刷電路板測試。

什么是S參數(shù)，為什么它們在信號完整性分析中很重要？當我們將信號應用于網(wǎng)絡的輸入時，該信號的一部分通過網(wǎng)絡傳播，而一些信號的一部分通過它進入的端口反射或散射回來。我們的信號有多少被反射，是什么導致了反射？

答案在于應用一種稱為散射矩陣（或S矩陣）的數(shù)學結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)量化了能量如何通過多端口網(wǎng)絡傳播。S矩陣允許將令人難以置信的復雜網(wǎng)絡的屬性準確描述為簡單的“黑匣子”。N 端口網(wǎng)絡的 S 矩陣包含 N2 系數(shù)（S 參數(shù)），每個系數(shù)表示一個可能的輸入-輸出路徑。通過“多端口網(wǎng)絡”，我們可以指，例如，電纜或微帶線。該接口將如何影響 5 Gbps USB 3.0 信號？

S參數(shù)是對網(wǎng)絡電氣行為的“頻域”描述。它們是用大小和相位表示的復數(shù);發(fā)生這種情況是因為輸入信號的幅度和相位都因網(wǎng)絡的損耗、反射和傳播時間而改變。

從時域角度看多端口網(wǎng)絡的性能需要時域反射儀 （TDR）。在這里，將快速上升的步進沿發(fā)送到被測器件（DUT）中，并測量反射信號。此外，我們可以查看通過DUT傳輸?shù)男盘?該信號是時域傳輸信號（TDT）。SPARQ儀器能夠執(zhí)行這兩種類型的測量。TDR測量對互連的瞬時阻抗曲線更敏感，而頻域測量對進入DUT的總輸入阻抗更敏感。

信號完整性網(wǎng)絡分析儀（如SPARQ）與傳統(tǒng)VNA之間的主要區(qū)別在于校準過程。VNA校準是一項復雜的任務，涉及多個連接，由于操作員錯誤，這些連接可能會產(chǎn)生誤導性結(jié)果。SPARQ分析儀內(nèi)置校準標準液，無需昂貴的外部校準模塊。校準快速完成，無需用戶干預。

虛擬探測

通常，OEM 構(gòu)建用于軍事應用的 PC 板與用于商業(yè)應用的 PC 板略有不同。軍用級產(chǎn)品必須承受較大的溫度波動和劇烈的振動水平。這種電路板上使用的施工技術(shù)當然可以提高可靠性，但在某些情況下，結(jié)果限制了對所需探測點的訪問。

當測試工程師根本無法將探頭物理連接到需要測量的地方時，他們能做些什么？答案越來越多地在于一種稱為虛擬探測的技術(shù)。虛擬探測是一種功能強大的信號處理工具，使用戶能夠在系統(tǒng)內(nèi)的任何位置測量信號，然后在任何其他所需點投射響應。該功能的工作原理是使用系統(tǒng)中各種組件的S參數(shù)文件來推導將所需測量信號與采集的波形相關(guān)聯(lián)的濾波器。

例如，可以在信號最干凈的地方進行測量，通常在變送器處，并且可以模擬通道遠端（背板末端）的損壞信號，從而消除測量中的探頭和儀器噪聲。派生濾波器考慮了系統(tǒng)元件和發(fā)射器信號之間的所有相互作用，包括差分到共模轉(zhuǎn)換以及近端和遠端串擾。虛擬探測還可以從測量中解嵌探頭和夾具響應，從而提高信號完整性測量的準確性。

串行數(shù)據(jù)分析

許多軍用嵌入式系統(tǒng)采用多通道信令，使串行鏈路分析成為一件非常復雜的事情。在當今的數(shù)據(jù)速率下，工程師必須能夠訪問各種形式的信號分析：眼圖、抖動、噪聲和串擾。任何這些參數(shù)中的異常都可能破壞接收器上的串行流。如果沒有適當?shù)墓ぞ呒?，所有這些分析都很難執(zhí)行且耗時。

幸運的是，現(xiàn)代信號分析工具與功能強大的信號分析儀或示波器配合使用時，能夠揭開這些分析的神秘面紗，并同時聚焦多達四條通道上的信號缺陷。此類工具的一個例子可以在泰萊迪恩·勒克羅伊的SDAIII-CompleteLinQ軟件中找到，該軟件提供了一套完整的串行數(shù)據(jù)分析工具，以形成眼圖并將抖動分解成其組成部分（見圖2）。

圖 2：泰萊迪恩·勒克羅伊的 SDAIII-CompleteLinQ 軟件包括串行數(shù)據(jù)分析工具，包括眼圖、串擾分析和噪聲分析。

抖動是用于在適當時間（無論是早還是晚）到達目的地的信號的術(shù)語。抖動的結(jié)果是由于寄存器鎖存不正確而導致的位錯誤。雖然幾乎不可能設(shè)計出100%無位錯誤的高速串行通道，但這樣的工具集可以幫助確定抖動、噪聲和串擾的來源。

審核編輯：郭婷