串行數(shù)據(jù)一致性測試的若干技術(shù)要點

在信號傳輸領(lǐng)域占統(tǒng)治地位的高速串行系統(tǒng)速度正不斷翻新：USB3.0的5Gbps數(shù)率比起USB2.0的480Mbps而言提升了10倍，PCI Express總線在幾年之內(nèi)也從最初的2.5Gbps擴展到8Gbps，數(shù)據(jù)存儲領(lǐng)域的SATA和SAS也已經(jīng)進化到第三代6Gbps，還有DDR內(nèi)存總線、以太網(wǎng)、HDMI、DisplayPort等等均無一例外的提升速度至更高水平。推動串行數(shù)據(jù)率不斷攀升的動力來自于互聯(lián)網(wǎng)時代的生存法則：快魚吃掉慢魚，而非大魚吃小魚。

行業(yè)的發(fā)展和技術(shù)的進步離不開標(biāo)準(zhǔn)的制定，為保證各廠家制造的產(chǎn)品能滿足互操作性，即能相互兼容，各行業(yè)組織為此都制定了一套測試規(guī)范，要求廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品必須通過測試后方能上市銷售，這就是一致性測試(Compliance Testing)，比如USB-IF負責(zé)制定USB2.0和USB3.0的一致性測試規(guī)范，PCI-SIG負責(zé)PCI Express G1 /G2/ G3一致性測試標(biāo)準(zhǔn)。盡管各種串行協(xié)議的具體內(nèi)容千差萬別，但一致性測試的框架和思路都是類似的，涉及到的共性問題都包括測試儀器的選擇，標(biāo)準(zhǔn)測試報文的生成、測試夾具的使用、如何判斷測試項目合格，乃至最終測試報告的生成。

對于5Gbps速率以下的信號而言，由于setup time和hold time的窗口margin較大，一般只需考慮發(fā)送端測試即可，而對于5Gbps速率以上超高速信號，由于本身margin就較小，再加上高頻分量在信道傳輸時衰減相對更大，到接收端時出現(xiàn)誤碼的概率也就增大很多。發(fā)送端能通過一致性測試，送出的信號質(zhì)量也很好，并不表示接收端就一定不會出現(xiàn)誤碼。為了應(yīng)對這么高數(shù)據(jù)率的挑戰(zhàn)，新一代串行協(xié)議比如USB3、SATA3都規(guī)定接收端容限測試已不再是可選項，而是必測項目。串行信號速率提高之后帶來的另外一類問題是電纜、探頭、測試夾具或背板（可統(tǒng)稱為信道channel）的影響已不可忽略，需要有某種方法來補償信道對信號的衰減效應(yīng)，這也體現(xiàn)在下一代串行協(xié)議的一致性測試規(guī)程中。

發(fā)送端測試

對Transmitter測試主要由示波器或?qū)ｉT的串行數(shù)據(jù)分析儀SDA實現(xiàn)，高保真還原信號需要能采集到5次諧波分量，對應(yīng)的示波器帶寬最低要求為數(shù)據(jù)率的2.5倍，比如USB3.0測試要求示波器帶寬為12.5GHz以上，SATA 6G要求15GHz帶寬以上，而做較低速的PCI E G1就不需要這么高帶寬，6GHz帶寬即足夠。力科公司的SDA 8Zi是新一代更高速串行信號發(fā)送端測試的最佳平臺，因為它能提供從4GHz到30GHz帶寬范圍，最高80GS/s采 樣率，完全能應(yīng)對當(dāng)前最快速串行信號的帶寬需要。各種協(xié)議的發(fā)送端測試項目不盡相同，但大都可分為三類：時序特性、電氣特性和時鐘特性。時序測試從單個樣 本來說就是建立時間和保持時間的測定，從大樣本的統(tǒng)計角度來說，就是眼圖模板和抖動分析。一致性規(guī)范都會定義某個參數(shù)的合格范圍，比如下圖1所示為百兆以太網(wǎng)峰值差分輸入幅度，測試標(biāo)準(zhǔn)為2.2伏至2.8伏之間，實測值為2.52V，符合標(biāo)準(zhǔn)要求，所以是合格的。

損耗和反射，背板、電纜對信號幅度的衰減和對相位的畸變，否則眼圖和抖動分析結(jié)果與實際情況差之千里。在USB3.0的發(fā)送端眼圖中，測量的是待測試信號經(jīng)過參考測試信道后TP1點的眼圖和抖動。如下圖2中的Reference test channel即為參考測試信道，在規(guī)范中定義了long channel、short channel和3米電纜三種參考測試信道。如果使用long channel或者較長電纜，信號到達接收端時衰減比較大，眼圖已經(jīng)閉合，USB3.0芯片接收端使用了CTLE均衡器對信號進行均衡后，信號眼圖的質(zhì)量將大大改善，對應(yīng)的測試儀器要求能仿真分析出CTLE均衡器處理后信號的眼圖和抖動。

上圖是力科Eye Doctor II軟件對USB3.0 Tx波形運用CTLE均衡后的結(jié)果，左邊的眼圖是靠近TX近端測量到的眼圖；中間的眼圖是通過兼容性信道（參考測試信道）后測量的眼圖，可見眼圖的張開程度較小，抖動較大；右邊的眼圖是仿真CTLE均衡后的眼圖，可見眼高和抖動都得到改善。信號越高，越需要對信號進行均衡處理?；诖?，USB3.0、SATA III、PCI-E G2都規(guī)定一致性測試必須包含均衡仿真功能。而力科Eye Doctor II軟件提供CTLE、FFE 、DFE三種最流行的均衡算法，能全面滿足下一代串行信號的發(fā)送端測試需求。

接收端容限測試

很多工程師認(rèn)為在靠近接收端測量眼圖或抖動就是Receiver測試，這是個誤解，造成這種誤解的原因主要是在過去接收機測試在板級的硬件研發(fā)中不是必測項目。接收機測試的準(zhǔn)確定義為：Recevier能夠容忍的不產(chǎn)生誤碼的輸入信號最大抖動值。下圖為接收機測試的示意圖。所需的儀器包括誤碼率測試儀（簡稱BERT），BERT通常包括碼型發(fā)生器（Pattern Generator）和誤碼檢測器（Error Detector）兩部分。在接收機測試時，碼型發(fā)生器輸出特定碼型的、帶有大量抖動和噪聲的信號到PUT的RX，DUT接收到后通過時鐘與數(shù)據(jù)恢復(fù)電路（簡稱CDR）、判別電路和解碼得到1和0組合的比特流，然后環(huán)回到輸出寄存器，從PUT的TX緩沖器發(fā)送出去，PUT的TX連接到了BERT的誤碼檢測器，誤碼檢測器中的CDR、判別電路處理后解碼得到1與0組 合的數(shù)據(jù)比特流，然后與碼型發(fā)生器輸出的特定碼型數(shù)據(jù)對比，如果兩者完全吻合則沒有誤碼，否則，記錄下誤碼的數(shù)量和接收到的碼流的比特總數(shù)，前者除以后者 即誤碼率，同時記錄接收到誤碼時碼型發(fā)生器輸出信號的抖動值。修改碼型發(fā)生器輸出信號的隨機抖動、固有抖動、信號幅度等參數(shù)，可以快速評估PUT的接收機對抖動的容限性能。

在接收機容限測試中，需要處理因SKP碼型帶來的誤碼率計算錯誤問題。通常為了補償鏈路兩端頻率偏差，發(fā)送端在數(shù)據(jù)流中每354個symbol要插入兩個SKP（即K28.1碼），接收端需要能識別和刪除SKP，這是USB3.0、SATAIII 或PCI Express G3等新型協(xié)議才具有的特點，而傳統(tǒng)的BERT因為不能識別SKP碼，會將正確碼流誤認(rèn)為誤碼。力科的誤碼率分析儀PeRT3由于具有協(xié)議層通信能力，可以智能的添加和刪除SKP后，再來計算是否有誤碼，所以是業(yè)界唯一一款能真正進行接收端容限測試的誤碼率分析儀。

生成標(biāo)準(zhǔn)測試報文

幾乎所有的串行數(shù)據(jù)一致性測試規(guī)程都要求DUT能發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)的測試序列，而且每一個測試項目對應(yīng)的測試報文都不盡相同。通常芯片廠家都會提供相應(yīng)的軟件程序控制芯片進入測試模式，產(chǎn)生特定的測試報文。比如Intel的LanConfig軟件適用于所有Intel的網(wǎng)卡芯片，工程師可以通過該軟件修改網(wǎng)卡芯片寄存器使其進入百兆測試模式或千兆Mode 1,2,3,4模式中的一種。再比如USB-IF提供的HSElectricalTestTool發(fā)包程序（可從www.usb.org下載），可以針對Host或Device的不同測試項目發(fā)出不同的測試報文。相比其他協(xié)議，USB3.0標(biāo)準(zhǔn)報文是最復(fù)雜的。在USB3.0規(guī)范中定義CP0-CP8九種測試碼型。在TX測試中，需要用到CP0/CP1/CP7/CP8四種碼型：CP0用于眼圖與抖動、共模電壓測量；CP1用于SSC展頻測量、隨機抖動測量；CP7用于去加重測量；CP8用于差分電壓幅度測量。對于測試工程師而言，如果沒有廠家提供的發(fā)包程序，很難讓DUT發(fā)出不同的測試碼型，而力科的PeRT3則可以很好解決這個問題，因為其具有協(xié)議層通信能力，會發(fā)出Ping.LFPS命令到DUT，DUT每接收到1個Ping.LFPS后，輸出的碼型就切換一次，從CP1到CP2,CP2到CP3, 直到CP8后再切換回CP0，不具有協(xié)議層通信能力的信號源是很難進行USB3.0、SATAIII、PCIe G3等下一代高速數(shù)據(jù)的一致性測試的。

結(jié)語

串行數(shù)據(jù)率在提升到5Gbps以上后，需要有全新的一致性測試思路和手段，僅僅在發(fā)送端做眼圖和測試已經(jīng)不夠，還需要引入接收機抖動容限測試、均衡仿真等，同時還必須支持與DUT鏈路層通信的能力以生成復(fù)雜的標(biāo)準(zhǔn)測試碼型。力科PeRT3是業(yè)界唯一具有鏈路/協(xié)議層會話能力的誤碼率分析儀，與高性能的串行數(shù)據(jù)分析儀SDA 8Zi配合使用，可以為最新串行協(xié)議USB3.0、SATA III、SAS III、PCI Express G3等提供完整的端到端一致性測試解決方案。