深入淺出談高速串行信號測試（一）

記得大概在6 年前，隨便翻閱一本計(jì)算機(jī)相關(guān)雜志，看到一則硬盤的廣告，什么品牌記不得了，印象最深的就是它所宣傳的新技術(shù)- 串行總線。當(dāng)時(shí)我還沒有接觸高速數(shù)字電路方面的知識，腦子里還是傳統(tǒng)的教科書式的關(guān)于數(shù)字電路的概念：串行，或是異步串行總線，無外乎RS232 、RS485 等。居然串行構(gòu)架的傳輸效率高過于并行的系統(tǒng)，簡直無法想象?；仡^看看這幾年市場熱點(diǎn)和技術(shù)革新，在對照自己第一次接觸“串行”時(shí)的愕然，不禁莞爾。

這篇小文章就是自己對關(guān)于高速串行數(shù)字電路設(shè)計(jì)、測試的知識體系的一個(gè)梳理。特別是在加入Tektronix 之后，負(fù)責(zé)HSSD （High Speed Serial data ）測試產(chǎn)品的支持，從日常接觸的客戶中，了解到很多具體的應(yīng)用和實(shí)例，在一定程度上講，Tektronix 就像小蜜蜂一樣，在不同的客戶中間，傳播著HSSD 設(shè)計(jì)、測試的理念和經(jīng)驗(yàn)。這篇小東西包含了涉及HSSD 各個(gè)方面的內(nèi)容，有談到基本的原理、測試的方法、時(shí)下比較流行的技術(shù)，以及常見的故障信號以及解決方案。希望這篇小東西能在日常繁瑣的工作之余，作為一盤“小甜點(diǎn)”，給大家?guī)韮?nèi)心那一份久違的、輕松愉悅的微笑。

一、高速串行總線基本知識

并行總線之所以在高速傳輸上被串行總線取代的原因就在于：第一，系統(tǒng)時(shí)鐘的瓶頸；第二，總線間的串?dāng)_。要達(dá)到上Gbps的傳輸速率，對于并行總線而言，勢必時(shí)鐘頻率要達(dá)到GHz，就算是使用DDR方式，其系統(tǒng)時(shí)鐘頻率之高，在板級分布之困難，使得我們望而卻步。而動輒幾十條走線等長的排布，可控的串?dāng)_，幾乎也是不可能完成的任務(wù)，而不斷增加的時(shí)鐘頻率，又對等長走線要求越來越嚴(yán)格，并行總線的瓶頸似乎變得非常的突出。

串行總線沒有時(shí)鐘。或是說在串行總線收發(fā)兩端，不需要同步時(shí)鐘。這是串行總線最突出的一個(gè)特點(diǎn)。這是這個(gè)特點(diǎn)，一舉將并行構(gòu)架的瓶頸打破，數(shù)據(jù)速率可謂突飛猛進(jìn)！最新在PC行業(yè)的動向是8Gbps的PCIE Gen3。而在通信行業(yè)，超過10Gbps的串行總線早已在使用了。

對于高速串行系統(tǒng)的驗(yàn)證與測試和傳統(tǒng)的信號測試有自己特殊的之處，傳統(tǒng)信號測試關(guān)心信號的模擬特征，包括時(shí)序和幅度方面特性的考察。對于并行總線而言，時(shí)序的方面的測量最主要以建立/保持時(shí)間為主，為了滿足接收端能否正確的鎖存數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)和時(shí)鐘的時(shí)序必須滿足建立/保持時(shí)間的要求，否則會產(chǎn)生誤碼。對于高速串行系統(tǒng)而言，測試的目的也是為了驗(yàn)證系統(tǒng)是否滿足設(shè)計(jì)要求的誤碼水平。并行和串行的差別就在于發(fā)送端和接收端對數(shù)據(jù)鎖存的處理和時(shí)鐘的傳輸上的差異。串行系統(tǒng)在發(fā)送斷通過串行發(fā)送器將數(shù)據(jù)按照Tx clk的節(jié)拍發(fā)送到總線上，在接收端必須能夠從數(shù)據(jù)中恢復(fù)出時(shí)鐘，并且用該時(shí)鐘鎖存數(shù)據(jù)，進(jìn)行解碼。在串行系統(tǒng)中，我們不再關(guān)心時(shí)鐘和數(shù)據(jù)信號之間的時(shí)序，而是關(guān)心在發(fā)送端是否能否嚴(yán)格按照時(shí)鐘節(jié)拍發(fā)送數(shù)據(jù)；在接收端能否恢復(fù)出時(shí)鐘；在互連層面關(guān)心傳輸線對信號完整性，特別是抖動的影響。

圖表 1典型的串行系統(tǒng)

那么如何去定量串行系統(tǒng)的性能呢？在高速串行系統(tǒng)中，主要通過眼圖測試。眼圖是把連續(xù)的比特流按照某一特定的時(shí)鐘，分割為單獨(dú)的比特，而后疊加而形成的圖形，類似一個(gè)張開的眼睛，故得名眼圖(Eye-diagram)。

圖表 2眼圖的形成

眼圖是高速串行信號的宏觀的信號質(zhì)量的體現(xiàn)，在眼圖中能直接反映出信號串行信號的幅度（如眼高、過沖、噪聲等）和時(shí)序（如上升/下降時(shí)間、UI長度、眼寬、抖動等）特性。在接收端，理想的時(shí)鐘判決應(yīng)該發(fā)生在整個(gè)眼圖的中間，這樣才能保證系統(tǒng)有最好的誤碼特性。

圖表 3理想的采樣時(shí)刻-中間的紅色十字

接收端是如何恢復(fù)出嵌入在串行數(shù)據(jù)中的時(shí)鐘呢？是通過接收端的時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)（CDR）來完成的。CDR的實(shí)現(xiàn)可以有很多中方式，通常使用鎖相環(huán)(PLL)或者鑒相器(PI)來完成。PLL類型的CDR通過數(shù)據(jù)中0-1的跳變來鎖定時(shí)鐘相位和頻率，在一定的范圍內(nèi)能夠跟蹤數(shù)據(jù)信號的抖動，以保持時(shí)鐘和數(shù)據(jù)相位的一致，而后通過判決電路(DC)得到數(shù)據(jù)。PLL類型的CDR要求數(shù)據(jù)中有足夠多的0-1跳變，而且數(shù)據(jù)必須是直流平衡的，因此在數(shù)據(jù)進(jìn)入到串行發(fā)送器之前，會通過8B/10B編碼，使得數(shù)據(jù)有足夠多的跳變，并且保證一段數(shù)據(jù)流中0和1的個(gè)數(shù)相同。

圖表 4 PLL類型的CDR電路

CDR的目的很明確，跟蹤數(shù)據(jù)抖動的變化（產(chǎn)生和數(shù)據(jù)同步的抖動），保證在DC中不會出現(xiàn)誤碼。CDR對數(shù)據(jù)的跟蹤也不是萬能的，如果數(shù)據(jù)中的抖動頻率超過了PLL的環(huán)路帶寬，那么PLL是無法跟蹤的，數(shù)據(jù)抖動就會傳遞到DC中，可能會影響到數(shù)據(jù)的提取而產(chǎn)生誤碼。所以CDR的時(shí)鐘恢復(fù)是有范圍的，這個(gè)范圍是有PLL的環(huán)路帶寬決定的。在環(huán)路帶寬能的抖動成分能被跟蹤，而超出帶寬的抖動是真正影響到誤碼率性能的抖動，我們所要考察的串行系統(tǒng)的抖動，就是那些不能被PLL跟蹤的抖動！所以，在眼圖測試中，必須要給定CDR的類型，否則盲目的測試眼圖和抖動是沒有任何意義的。

圖表 5抖動測試目的是發(fā)現(xiàn)在接收端無法被跟蹤的抖動

明確的眼圖測試的目的和注意事項(xiàng)后，我們就可以根據(jù)被測系統(tǒng)規(guī)劃合適的測試方案：

• 通過系統(tǒng)的串行速率選擇合適帶寬的示波器
• 根據(jù)串行系統(tǒng)的誤碼標(biāo)準(zhǔn)，制定眼圖模板
• 設(shè)計(jì)測試使用的CDR模型，正確模擬接收端的抖動情況
• 選擇合適的測試項(xiàng)目，明確測試目的是以驗(yàn)證為主還是調(diào)試為主

在測試工具的選擇上，工程師并不是只有實(shí)時(shí)示波器一種選擇。能夠進(jìn)行高速串行系統(tǒng)功能驗(yàn)證和調(diào)試的工具大致有：實(shí)時(shí)示波器（Real Time Oscilloscope）、采樣示波器(Sampling Oscilloscope)、時(shí)間間隔分析儀(Time Interval Analyzer)、誤碼儀(Bit Error Rate Tester)。按照測試精度、調(diào)試能力、效率以及成本作為考察項(xiàng)目，將上述幾種測試設(shè)備做簡單的對比：

圖表 6各種測試儀器對比

在測試精度方面，采樣示波器較實(shí)時(shí)示波器占有一定優(yōu)勢，時(shí)基精度可達(dá)200fs，垂直14bitADC，動態(tài)范圍大，自身噪底低(具體指標(biāo)請參見文檔2)。因此采樣示波器除了分析抖動外，同時(shí)還可以分析噪聲對串行系統(tǒng)誤碼的影響。但是采樣示波器采必須需要外觸發(fā)，只能觀察周期性、重復(fù)的波形，不具備實(shí)時(shí)示波器靈活的觸發(fā)功能，因此在調(diào)試能力方面，實(shí)時(shí)示波器是其中最強(qiáng)大的。例如Tektronix DSA系列示波器中的串行觸發(fā)，可以觸發(fā)到數(shù)據(jù)流中特定的比特碼型；碼型鎖定功能可以很容易的瀏覽碼型中所有比特；硬件CDR能夠快速的同步數(shù)據(jù)，進(jìn)行眼圖、抖動分析。而誤碼儀是專用的誤碼測試設(shè)備，其測試精度是最高的。誤碼儀是一個(gè)閉環(huán)的系統(tǒng)，通過對比發(fā)送和接收到的數(shù)據(jù)來計(jì)算誤碼。但是誤碼儀測試的效率很低，如果要測試置信概率為95％的誤碼率小于1E-12的話，要至少保證在連續(xù)的3E+12個(gè)比特中沒有誤碼。如果該串行速據(jù)的速度為1Gbps，那么3E+12個(gè)比特意味著要測試3000秒才能得到結(jié)果，而且這是最樂觀的估算。時(shí)間間隔分析儀是專用的測試時(shí)間間隔的儀器，時(shí)間測試精度高，但是設(shè)備本身帶寬有效，100MHz帶寬的時(shí)間價(jià)格分析儀非常的昂貴。因此，綜合比較下來，實(shí)時(shí)示波器的綜合能力在所有抖動分析測試工具里面是最強(qiáng)的。