高速FPGA系統(tǒng)的信號(hào)完整性測(cè)試和分析

1. 引言

隨著FPGA的設(shè)計(jì)速度和容量的明顯增長(zhǎng)，當(dāng)前流行的FPGA芯片都提供高速總線(xiàn)，例如DDR內(nèi)存總線(xiàn)，PCI-X總線(xiàn)、SPI總線(xiàn)；針對(duì)超高速的數(shù)據(jù)傳輸，FPGA通過(guò)集成SerDes提供高速串行IO，支持各種諸如PCI-E、GBE、XAUI等高速串行總線(xiàn)協(xié)議，為各種不同標(biāo)準(zhǔn)的高速傳輸提供極大的靈活性。典型的高速FPGA器件提供的每一條物理鏈路的速度從200Mbps到高達(dá)10Gbps，高速I(mǎi)O的測(cè)試和驗(yàn)證更成為傳統(tǒng)專(zhuān)注于FPGA內(nèi)部邏輯設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)人員面臨的巨大挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)使設(shè)計(jì)人員非常容易會(huì)把絕大部分設(shè)計(jì)周期時(shí)間放在調(diào)試和檢驗(yàn)設(shè)計(jì)上。

為了加速對(duì)于FPGA中高速并行和串行總線(xiàn)的調(diào)試和驗(yàn)證，它需要使用新的高速信號(hào)完整性測(cè)試工具和分析方法。本文根據(jù)當(dāng)前FPGA的高速總線(xiàn)測(cè)試和分析，提供了最新的方法和工具。

圖1是一個(gè)典型FPGA的提供的各種高速接口。對(duì)于這些速度從200M到高達(dá)10G的高速總線(xiàn)，信號(hào)完整性的測(cè)試和分析是保證設(shè)計(jì)成功的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。

圖1 典型FPGA的提供的各種高速接口
2. 高速串行總線(xiàn)眼圖測(cè)試

對(duì)于采用內(nèi)嵌SERDES電路的FPGA芯片，其高速串行信號(hào)進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證，最基本的工具是通過(guò)示波器進(jìn)行對(duì)其眼圖測(cè)試。因?yàn)檠蹐D能夠非常直觀的反映一條被測(cè)信號(hào)路徑上的整體信號(hào)質(zhì)量問(wèn)題，包括信號(hào)的抖動(dòng)量大?。ㄑ蹖挘┮约胺鹊拇笮。ㄑ鄹撸┑戎匾畔?。圖2是一個(gè)高速數(shù)據(jù)信號(hào)的眼圖形成的過(guò)程。

圖2 眼圖的形成過(guò)程

從眼圖的形成過(guò)程可以看出，一個(gè)NRZ編碼的高速數(shù)據(jù)無(wú)論傳輸何種碼流，都可以看作一個(gè)重復(fù)信號(hào)，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間和樣本數(shù)的累計(jì)，它反映整個(gè)傳輸鏈路上的總體信號(hào)質(zhì)量。

3. 選擇合適的眼圖測(cè)試工具

3.1 示波器帶寬的要求

示波器是進(jìn)行高速串行信號(hào)眼圖測(cè)試的首選工具。無(wú)論是用高速實(shí)時(shí)示波器還是采樣示波器（Sampling Scope）得到眼圖，帶寬是對(duì)示波器的基本要求。以一個(gè)NRZ編碼的高速串行總線(xiàn)為例，它理想的波形是一個(gè)方波信號(hào)，方波信號(hào)是由它的基波（正弦波）和奇次諧波（3次，5次，7次…）組成。根據(jù)信號(hào)的傳輸速率和上升時(shí)間，選擇盡量高帶寬和最快上升時(shí)間的示波器，這樣測(cè)試結(jié)果保留更多的諧波分量，構(gòu)建高精度的眼圖測(cè)試結(jié)果。
示波器帶寬反映了對(duì)被測(cè)信號(hào)幅度上的衰減，而示波器上升時(shí)間決定了對(duì)被測(cè)信號(hào)上升時(shí)間測(cè)試的誤差。經(jīng)典的示波器帶寬和上升時(shí)間的關(guān)系為：帶寬×上升時(shí)間＝0.35－0.45，0.35-0.45為常系數(shù)。每一個(gè)高性能示波器除了提供帶寬的指標(biāo)外，還會(huì)給出上升時(shí)間，表征其對(duì)階躍信號(hào)的測(cè)試能力和精度。示波器測(cè)試結(jié)果的經(jīng)驗(yàn)公式為：