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中心議題：

• 眼圖醫生和HSPICE仿真結果和實際測試波形對比
• 為高速背板設計提供新思路 

解決方案：

• 眼圖醫生預加重/去加重仿真等功能是系統調試的好工具
• HSPICE在使用S參數模型時需要注意以避免仿真結果出錯

摘要：本文使用力科示波器的眼圖醫生軟件和Synopsys公司的HSPICE仿真同一個背板系統，并把兩種方法的仿真結果和實際測試波形對比，分析和驗證了兩種方法的精度與優缺點，對于高速背板設計提供了新的思路。

關鍵詞：眼圖醫生（Eye Doctor） HSPICE  信號完整性仿真

眼圖醫生與HSPICE簡介
眼圖醫生（Eye Doctor）是力科于2006年推出的用于高速串行數字電路設計的強大工具，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計、高速串行信號一致性測試、高速SERDES芯片均衡器的優化與設計等等。在2009年2月，力科發布了新一代的眼圖醫生II，提供了更強大的分析能力與良好人機界面。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端發送的波形，在Eye Doctor II中導入信道的S參數模型文件，計算出通過信道后RX端的信號波形、眼圖與抖動，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年由加州大學伯克利分校電機工程與計算機科學系發明，主要用于集成電路的仿真與分析。隨著現代微電子工業的發展，商業化的SPICE軟件不斷涌現，其中，Synopsys公司的HSPICE是目前最常用的電路仿真軟件。在GHz互連系統的信號完整性仿真中，IC制造商通常提供了高速收發器的加密的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的S參數模型和IBIS模型，HSPICE仿真器都可以直接進行分析與計算，由于HSPICE軟件良好的計算精度、收斂性和模型兼容性，所以，被業界公認為高速數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
對比分析的工作環境如圖2所示：信號源為某PCIe顯卡發送的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50歐的電阻。分別在三種情況下進行分析：
1. 實測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，示波器的兩個通道都設置為50歐，即模擬差分100歐的負載。在三種情況對比中以此測試結果作為參考。

2. 使用眼圖醫生仿真背板系統：PCIe顯卡發送出的信號通過SMA電纜連接到示波器，即直接測量發送端的波形，把背板（即24英寸傳輸線）的S參數文件調入眼圖醫生軟件，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：PCIe顯卡發送出的信號通過SMA電纜連接到示波器，即直接測量發送端的波形，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仿真器中作為驅動端，把背板（即24英寸傳輸線）的S參數文件調入HSPICE軟件，接收端為2個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）。 實驗使用的信道是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絡分析儀或者示波器。使用了網絡分析儀測試其S參數，掃頻范圍從10MHz到20GHz，頻點間隔為10MHz。信號源的速率為2.5Gbps，重復發送碼長（Pattern） 為640個比特的數據，則一幀數據的時長為640乘以1個比特（400ps），即256ns。在示波器測試中，我們抓取了1000ns的數據，TX端測量到的波形保存為擴展名txt的文本格式，修改格式后用于HSPICE仿真的驅動源。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網表同一文件夾，作為HSPICE網表的信號源來使用。 HSPICE的網表文件如下，共仿真了800ns時間，去掉了起始150ns的不穩定的波形：
******************* 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
使用力科眼圖醫生來仿真RX端結果的操作非常簡單（如圖5所示），無需編輯網表文件，在圖形用戶界面中可以調入S參數文件，觀察仿真出來的RX端的波形。 眼圖醫生與HSPICE仿真的結果分析
下面將從仿真時間、精度方面做一個對比。
1. 仿真時間
HSPICE：在CPU P4 3.06G，內存DDR 1G的電腦平臺上仿800ns長的波形花了約43分鐘。
Eye Doctor II：幾秒鐘內就計算出了50us長的波形，幾乎可以做到實時測量、實時計算出結果。
2. 仿真精度
實測波形，HSPICE、Eye Doctor II仿真結果3者的波形對比如下： 對比發現，無論在低頻還是高頻碼型，Eye Doctor II與實測RX的結果吻合得更好一點（見圖8），而HSPICE在低頻碼型（長1或長0）時，仿真的信號幅度偏高，并且有回鉤（見圖7）。

眼圖醫生軟件在信道仿真的原理為：根據信道的S參數模型生成幾個FIR濾波器（比如2端口S參數模型生成4個FIR濾波器，關于FIR濾波器可以在網上搜索“有限沖激響應 wiki”查詢到相關知識介紹，輸入信號與FIR濾波器的沖激響應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濾波器的準確性決定了信道仿真的精度，在眼圖醫生軟件中，通過缺省的FIR濾波器優化算法，可以保證在全頻帶的仿真結果接近實測結果。從圖8的波形對比可以看到力科眼圖醫生的準確性。

HSPICE中對于S參數模型在時域中進行計算，據筆者分析，可能也使用了FIR濾波器的方法，其FIR濾波器的參數跟S參數模型的調用語句中fbase緊密相關。Fbase較小時，IFFT的頻點密集、頻譜分辨率較高，FIR濾波器的時域沖激響應的點數比較密集，反之則FIR濾波器的沖激響應的點數比較稀疏。輸入信號與前者進行卷積運算時比較耗時，與后者進行卷積運算時比較省時。是否Fbase越小，精度越高？答案是不一定。當Fbase較大時，可能對沖激響應的主脈沖之外一些矮脈沖欠采樣，卷積后的計算結果更接近實測值。

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

通過這項實驗說明在使用HSPICE進行S參數的信道仿真時必須準確合理的設置S參數文件的fbase，而力科眼圖醫生軟件內嵌的優化算法可以自動設置信道的相關參數，得到比較精確的仿真結果。

在對比實測RX波形、HSPICE仿真、眼圖醫生仿真三種情況時，如下一些因素導致了計算結果的差異：
1. 實測RX波形時，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和眼圖醫生仿真時接收端為兩個理想的50歐電阻，而另外一種情況實測接收端波形時負載是示波器的通道，盡管其阻抗為50歐，但是與理想的50歐電阻還是有區別的。