力科眼图医生与HSPICE仿真的对比研究
中心议题：
- 眼图医生和HSPICE仿真结果和实际测试波形对比
- 为高速背板设计提供新思路
- 眼图医生预加重/去加重仿真等功能是系统调试的好工具
- HSPICE在使用S参数模型时需要注意以避免仿真结果出错
摘要：本文使用力科示波器的眼图医生软件和Synopsys公司的HSPICE仿真同一个背板系统，并把两种方法的仿真结果和实际测试波形对比，分析和验证了两种方法的精度与优缺点，对于高速背板设计提供了新的思路。
关键词：眼图医生（Eye Doctor） HSPICE 信号完整性仿真
眼图医生与HSPICE简介
眼图医生（Eye Doctor）是力科于2006年推出的用于高速串行数字电路设计的强大工具，集成在高带宽示波器中，包括了虚拟探测（virtual probing）与接收端均衡（receiver equalization）两部分，主要用于通讯背板设计、高速串行信号一致性测试、高速SERDES芯片均衡器的优化与设计等等。在2009年2月，力科发布了新一代的眼图医生II，提供了更强大的分析能力与良好人机界面。如下图1所示，利用Eye Doctor的信道仿真功能，可以用示波器测量到的TX端发送的波形，在Eye Doctor II中导入信道的S参数模型文件，计算出通过信道后RX端的信号波形、眼图与抖动，其功能类似于EDA的SI仿真工具。
图1：力科眼图医生的信道仿真功能图示SPICE是Simulation Program with IC Emphasis的简写，在1972年由加州大学伯克利分校电机工程与计算机科学系发明，主要用于集成电路的仿真与分析。随着现代微电子工业的发展，商业化的SPICE软件不断涌现，其中，Synopsys公司的HSPICE是目前最常用的电路仿真软件。在GHz互连系统的信号完整性仿真中，IC制造商通常提供了高速收发器的加密的HSPICE模型，使用HSPICE仿真软件可以顺利的读取加密的HSPICE模型，而与信号完整性仿真相关的S参数模型和IBIS模型，HSPICE仿真器都可以直接进行分析与计算，由于HSPICE软件良好的计算精度、收敛性和模型兼容性，所以，被业界公认为高速数字电路的信号完整性仿真的最好的工具之一。测试和仿真平台介绍
对比分析的工作环境如图2所示：信号源为某PCIe显卡发送的2.5Gbps的信号，信道为某DEMO板上24英寸长的传输线，接收端为两个50欧的电阻。分别在三种情况下进行分析：
1. 实测RX端波形：如图2所示，用示波器直接测量2.5Gbps的PCIe信号通过24英寸传输线后的接收端波形，示波器的两个通道都设置为50欧，即模拟差分100欧的负载。在三种情况对比中以此测试结果作为参考。
2. 使用眼图医生仿真背板系统：PCIe显卡发送出的信号通过SMA电缆连接到示波器，即直接测量发送端的波形，把背板（即24英寸传输线）的S参数文件调入眼图医生软件，仿真出该信号通过背板后的波形（即RX的波形）。
3. 使用HSPICE仿真背板系统：PCIe显卡发送出的信号通过SMA电缆连接到示波器，即直接测量发送端的波形，保存波形为文本格式后，修改为HSPICE的PWL格式的信号源，放入HSPICE仿真器中作为驱动端，把背板（即24英寸传输线）的S参数文件调入HSPICE软件，接收端为2个50欧电阻，用HSPICE仿真出接收端上的电压波形（注：仿真使用的HSPICE版本为2008.03）。
图2： 背板实测连接图
图3：24英寸长PCB走线为信道实验使用的信道是24英寸线长的传输线，如下图3所示，传输线的两端有SMA连接头，可以用同轴电缆方便的连接网络分析仪或者示波器。使用了网络分析仪测试其S参数，扫频范围从10MHz到20GHz，频点间隔为10MHz。信号源的速率为2.5Gbps，重复发送码长（Pattern） 为640个比特的数据，则一帧数据的时长为640乘以1个比特（400ps），即256ns。在示波器测试中，我们抓取了1000ns的数据，TX端测量到的波形保存为扩展名txt的文本格式，修改格式后用于HSPICE仿真的驱动源。如图4所示，左图为力科示波器保存的波形文件，右图为修改为HSPICE中的PWL格式的信号源，由于是差分信号，两路信号分别命名为PCIe_TX_N.dat和PCIe_TX_P.dat后保存在与HSPICE网表同一文件夹，作为HSPICE网表的信号源来使用。
图4： 把力科波形文件修改为HSPICE的PWL格式HSPICE的网表文件如下，共仿真了800ns时间，去掉了起始150ns的不稳定的波形：
******************* 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
使用力科眼图医生来仿真RX端结果的操作非常简单（如图5所示），无需编辑网表文件，在图形用户界面中可以调入S参数文件，观察仿真出来的RX端的波形。
图5：力科眼图医生界面
眼图医生与HSPICE仿真的结果分析
下面将从仿真时间、精度方面做一个对比。
1. 仿真时间
HSPICE：在CPU P4 3.06G，内存DDR 1G的电脑平台上仿800ns长的波形花了约43分钟。
Eye Doctor II：几秒钟内就计算出了50us长的波形，几乎可以做到实时测量、实时计算出结果。
2. 仿真精度
实测波形，HSPICE、Eye Doctor II仿真结果3者的波形对比如下：
图6：实测波形Vs HSPICE仿真 Vs Eye Doctor II
图7：实测波形Vs HSPICE仿真
图8：实测波形Vs Eye Doctor II对比发现，无论在低频还是高频码型，Eye Doctor II与实测RX的结果吻合得更好一点（见图8），而HSPICE在低频码型（长1或长0）时，仿真的信号幅度偏高，并且有回钩（见图7）。
眼图医生软件在信道仿真的原理为：根据信道的S参数模型生成几个FIR滤波器（比如2端口S参数模型生成4个FIR滤波器，关于FIR滤波器可以在网上搜索“有限冲激响应 wiki”查询到相关知识介绍，输入信号与FIR滤波器的冲激响应卷积后即可得到通过信道后的输出信号（比如接收端的信号），其中FIR滤波器的准确性决定了信道仿真的精度，在眼图医生软件中，通过缺省的FIR滤波器优化算法，可以保证在全频带的仿真结果接近实测结果。从图8的波形对比可以看到力科眼图医生的准确性。
HSPICE中对于S参数模型在时域中进行计算，据笔者分析，可能也使用了FIR滤波器的方法，其FIR滤波器的参数跟S参数模型的调用语句中fbase紧密相关。Fbase较小时，IFFT的频点密集、频谱分辨率较高，FIR滤波器的时域冲激响应的点数比较密集，反之则FIR滤波器的冲激响应的点数比较稀疏。输入信号与前者进行卷积运算时比较耗时，与后者进行卷积运算时比较省时。是否Fbase越小，精度越高？答案是不一定。当Fbase较大时，可能对冲激响应的主脉冲之外一些矮脉冲欠采样，卷积后的计算结果更接近实测值。
在图9中分别为fbase=30/40/50MHz时，HSPICE仿真出的接收端波形。可以看到fbase=50MHz时，低频的码型（长1或长0）幅度较低些，与实测RX端波形的比较接近。在使用HSPICE仿真时，fbase=50MHz时的仿真时间远小于最开始的频率设置（fbase = 10MHz）。在图10中，对比了fbase=50MHz时HSPICE仿真的RX端波形与实测波形，两者一致性比较好。
通过这项实验说明在使用HSPICE进行S参数的信道仿真时必须准确合理的设置S参数文件的fbase，而力科眼图医生软件内嵌的优化算法可以自动设置信道的相关参数，得到比较精确的仿真结果。
在对比实测RX波形、HSPICE仿真、眼图医生仿真三种情况时，如下一些因素导致了计算结果的差异：
1. 实测RX波形时，信号源与信道连接使用了2根SMA同轴电缆，信道另一端与示波器连接又使用了2根SMA同轴电缆；而HSPICE和眼图医生仿真都是信号源与示波器用2根SMA同轴直接相连，没有考虑另外的2根SMA同轴电缆。
2. HSPICE和眼图医生仿真时接收端为两个理想的50欧电阻，而另外一种情况实测接收端波形时负载是示波器的通道，尽管其阻抗为50欧，但是与理想的50欧电阻还是有区别的。
图9：HSPICE网表文件的S参数模型的fbase在不同设定时仿真结果
图10：修改HSPICE网表文件的S参数模型fbase = 50MHz的仿真结果总结
本文对比了力科示波器的眼图医生软件和HSPICE仿真在背板预研与设计的应用，Eye Doctor在仿真精度和速度上都优于HSPICE，HSPICE需要合理设置模型参数才能得到较准确结果。此外眼图医生还有预加重/去加重仿真，均衡仿真以及夹具去嵌功能，是系统调试的一个好工具。HSPICE作为老牌的SI仿真和电路仿真工具，拥有广泛的模型资源，有得天独厚的优势，在使用S参数模型时需要稍加注意，可以避免仿真结果出错。 关键字：眼图医生 Eye Doctor HSPICE 信号完整性仿真 本文链接：http://www.cntronics.com/public/art/artinfo/id/80005156
