高速串行總線的信號完整性驗證

---一般來講，電子產(chǎn)品的設計都離不開以下幾個部分：電源、時鐘、復位信號、總線和接口，正是這些各個部分的信號連接著整個系統(tǒng)，也是決定系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要角色之一。系統(tǒng)的穩(wěn)定性和設計質量的好壞，從信號本身的角度可以看出絲許端倪，其實這也就是信號完整性研究的內(nèi)容。
---隨著技術的不斷發(fā)展，設計工程師會越來越多地面臨著高速信號的設計處理的問題，高速數(shù)據(jù)總線技術的發(fā)展，也給測試帶來了新的挑戰(zhàn)。
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第三代I/O技術PCI Express，使人們可以突破以往PCI帶寬較窄的瓶頸限制，從而更加靈活地設計的自己高性能系統(tǒng)。對于PCI Express的測試，PCISIG已經(jīng)有詳細的測試方法了，但是實際系統(tǒng)千差萬別，PCISIG也不可能一一規(guī)定得清清楚楚，所以這就需要對各個總線規(guī)格的技術特征要有深入的了解，確定到底那條才是符合實際系統(tǒng)的標準。不只是PCI Express，光纖通道(Fiber Channel)、Infiniband、千兆以太網(wǎng)、1394b、USB等信號的測量也有同樣的問題。
---對于任何總線或是信號的測試，首先要對其所用的技術規(guī)格非常熟悉，一個經(jīng)驗豐富的工程師只需要看技術規(guī)范，就能大致找到測試方法，當然有的時候需要配置完備的儀器才行。
---首先來看眼圖的測量，要測試眼圖就得先找到規(guī)定的眼圖的模板，也就是Eye Mask。各個技術規(guī)格都會有明確的規(guī)定，工程師可以從技術規(guī)范中找出眼圖模板的規(guī)格，在測試儀器上(如示波器)按照規(guī)格進行編輯眼圖模板，圖1是光纖通道標準規(guī)定不同的點對應的不同的眼圖模板。一般來說，儀器廠家都會有已經(jīng)做好的模板文件，只需調用就行了，當然工程師一定要去對照標準檢查一下，儀器廠商有時候提供的也不一定是正確的，會浪費用戶的很多時間。至于接下來的測試就簡單了，只需要把測試信號接到儀器上就行了，或是直接點到測試點上，或是通過專用的測試夾具，或是通過輸出的接口等。
---現(xiàn)在的高速串行總線采用8B/10B編碼已是潮流，還有預加重(Pre-emphasis)，去加重(Deemphasis)，嵌入式時鐘等都是比較重要的概念。
---在測試的過程中，怎么樣抓取所需要的信號是個關鍵，比如PCI Express、光纖通道等測試就顯得很簡單，它會自動發(fā)出一連串的Compliance pattern供測試用。但是對于以太網(wǎng)、1394等，就沒有那么簡單了，這需要各個芯片廠商的支持才行，用戶需要從芯片廠商那里獲取如何開啟芯片的寄存器，使芯片進入所謂的測試模式(test mode)，發(fā)出想要的圖案(pattern)或是數(shù)據(jù)包(package)，這樣就能抓取想要的信號，從而驗證它的品質了。
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說到抓取信號，當然離不開儀器探頭之類的東西了，但是對于不同技術規(guī)格的信號，應該有不同的選擇要求，如帶寬、上升時間、靈敏度、采樣率等，這些可以跟儀器廠商聯(lián)系，他們會有一些解決方案，但是這些基本的東西需要用戶自己掌握，因為很多測試儀器的價格可是不菲的。
---當工程師抓取到信號時，就可以測試了?，F(xiàn)在很多儀器廠商會提供一些傻瓜式應用程序，只需用戶單擊一下run或是start，就可以幫用戶完成大部分測試，并且還會自動生成報告。但工程師也不能過分依賴儀器廠商，一來這些應用軟件很多時候并不是免費的，而且還價格昂貴，二來儀器廠商也不是萬能的，有的時候，有的參數(shù)還得靠自己一個一個去測量，其實這才是體現(xiàn)工程師價值的時候。下面就以光纖通道信號的測試作為實例簡單介紹一下。
---測量信號為Fibre Channel(FC)，信號的速率為2.125Gbps。根據(jù)信號速率，選擇了一臺7GHz帶寬，20GSPS采樣速率的實時示波器Tektronix TDS7704B。探頭為為5GHz帶寬的差分探頭P7350，注意，示波器里面必須具有CDR(clock distract recovery)模塊，因為這些高速串行總線的時鐘都是嵌入在數(shù)據(jù)中，所以需要CDR去從數(shù)據(jù)中恢復出時鐘信號，這樣才能去采樣信號。還有一個就是實時串行數(shù)據(jù)分析軟件，如泰克的RT-eye軟件。

目前這個軟件可以完成光纖通道信號大部分的測試項目，如眼圖、抖動、上升時間、下降時間、eye height、eye width、Jitter@BER、Dj、Rj、eye opening@BER、速率、UI，還可以畫浴盆曲線、統(tǒng)計圖、直方圖等。圖2為實際2.125GHz光纖通道信號的測試結果，圖3是2.5GHz的PCI Express總線信號的測試結果。
---在這里要提醒的是以下幾點，一是圖案長度的設置，二是圖案類型的選擇，三是鎖相環(huán)濾波器帶寬的選擇，四是BER要求的數(shù)據(jù)量。

參考文獻
1 PCI Express Base Specification Revision 1.0a. PCISIG. April 15. 2003
2 FIBRE CHANNEL PHYSICAL INTERFACES (FC-PI-2). NCITS working draft. July 11.2003
3 InfiniBand Architecture Specification Volume 1. Release 1.2. Sept. 2004