基于直接數字合成技術(shù)的高速串行信號接收端容限測

主要介紹串行信號的特性、傳統數字信號源實(shí)現串行信號接收端容限測試的方法及其局限、直接合成信號源的實(shí)現方法及其優(yōu)勢，以及模擬信號源直接合成的方式在目前比較流行的串行標準中如SATA、Display Port、HDMI等的實(shí)際應用

引言

在系統或者芯片的驗證過(guò)程中，使用高速串行信號標準的芯片的接收端測試都需要激勵信號源，一直以來(lái)，設計人員幾乎完全依賴(lài)數字信號發(fā)生器，為串行測試生成二進(jìn)制信號。他們在數字信號中運用輸入信號的幅度調節、注入抖動(dòng)、相位偏移調節等手段來(lái)進(jìn)行比較惡劣的工作環(huán)境的模擬，以考驗接收端的接收容限。但是，信號源領(lǐng)域中的新技術(shù)正在改變這一切，直接合成工具可以幫助設計人員創(chuàng )建現實(shí)程度更高的信號，并極大地減少復雜的測試設置和多種設備共用可能引入的測量誤差。

直接數字合成方式產(chǎn)生信號的意義

串行信號完全由簡(jiǎn)單的二進(jìn)制數1和0組成。為什么要使用直接數字合成模擬波形來(lái)表示數字數據呢？這是因為在數字信號中隱含的是模擬事件。書(shū)本上理想的數字信號的零上升時(shí)間和完美的“平頂”都是虛擬的，實(shí)際的工作環(huán)境具有噪聲、串擾、反射、電源變化和其他缺點(diǎn)，每個(gè)缺點(diǎn)都會(huì )給信號帶來(lái)影響。直接合成信號源的優(yōu)點(diǎn)是能夠完全“模仿”實(shí)際信號的模擬特點(diǎn)，可以任意控制信號的上升時(shí)間、脈沖形狀、延遲、畸變、抖動(dòng)變化規律等，這正是嚴格的串行總線(xiàn)測試所需的操作。泰克的AWG7000就是使用直接數字合成的方式產(chǎn)生信號的任意波形發(fā)生器，可以生成一個(gè)測試信號，擁有所需的全部時(shí)序、幅度和失真特點(diǎn)，而不是像一般的數字信號源那樣先生成一個(gè)“干凈”的理想信號，然后再通過(guò)各種組合去劣化信號來(lái)模擬真實(shí)環(huán)境。

實(shí)際工作環(huán)境中高速串行信號的模擬特性

由于傳輸介質(zhì)的衰減以及反射會(huì )導致信號不同程度的劣化，具體表現為抖動(dòng)的增大，信號幅度的衰減等。在實(shí)際工作環(huán)境中，隨著(zhù)信號速率的提高，傳輸介質(zhì)對信號的影響越來(lái)越明顯，信號一般會(huì )隨信號速率和傳輸路徑長(cháng)度成比例劣化。在大規模的工程化生產(chǎn)制造過(guò)程中，可能會(huì )犧牲PCB、連接器、線(xiàn)纜的性能來(lái)?yè)Q取成本的優(yōu)勢，這就更增加了接收端的容限要求。

由于時(shí)鐘芯片的抖動(dòng)影響，電源平面的波動(dòng)干擾，以及串行信號周邊低頻但高能量的信號的串擾，這些都會(huì )導致串行信號發(fā)生時(shí)序上的變化，這種變化表現為信號邊沿的抖動(dòng)有規律的跟隨著(zhù)干擾信號的變化而變化；或者為了減少EMI的輻射，特意在時(shí)鐘信號上疊加一個(gè)低頻的調制，使信號的頻率隨著(zhù)調制信號而有規律的升高或降低，頻譜擴散在相對寬的頻率范圍內，而降低頻譜的尖峰值，一般稱(chēng)為SSC(擴頻時(shí)鐘)。

為了減少傳輸介質(zhì)的衰減而造成的波形的畸變和ISI的抖動(dòng)成分的增加，提高傳輸過(guò)程中的信號完整性。業(yè)界普遍使用了去加重(de-emphasis)的技術(shù)，以補償傳輸線(xiàn)對高頻分量的衰減，改善接收機輸入上的信號保真度。但必須在設計階段全面評估串行設備對去加重的響應。在調試過(guò)程中可以根據實(shí)際的情況，調節去加重的比例以獲得最好的傳輸效果。

傳統數字信號源對串行信號特性進(jìn)行模擬的方法

一般的數字信號源能夠對比較單一的規律性變化的數字信號進(jìn)行模擬，如信號中含有隨機噪聲，或者信號的抖動(dòng)以單一的正弦規律或者三角波規律變化的情況?？梢杂枚鄠€(gè)儀器混合注入不同特性的抖動(dòng)和噪聲實(shí)現。但如果信號的劣化是不規則的或者以比較復雜的規律變化的，如在正弦抖動(dòng)中含有電源或者其他高能量信號干擾引起的抖動(dòng)，數字信號源就難以進(jìn)行模擬了。

圖1 數字信號源實(shí)現“去加重”特性信號的方法

對于串行信號標準中常用的“去加重”特性的實(shí)現，數字信號源則需要使用多通道以及Power Combiner電源組合器進(jìn)行復雜的連接來(lái)實(shí)現，而且要精確控制多個(gè)通道的相位關(guān)系，否則得到的信號會(huì )與預期大相徑庭，原理如圖1所示，將CH1相對于CH2延遲一個(gè)比特位(UI),然后將兩個(gè)通道相減，就可以得到圖1去加重的信號。

使用直接數字合成原理的AWG(任意波形發(fā)生器)如何對串行信號進(jìn)行模擬

直接合成是一種基于采樣的技術(shù)。直接合成信號源 (AWG)從樣點(diǎn)中創(chuàng )建模擬波形，在帶寬和采樣率能達到的范圍內，AWG存儲器中的樣點(diǎn)基本上可以定義任何波形，這些樣點(diǎn)可以從示波器采集的實(shí)際波形中獲得，也可以采用公式或者算法去任意定義。

圖2 直接數字合成信號源對串行信號的模擬方法

直接合成信號源除了能夠合成含任何抖動(dòng)規律或者噪聲的信號，建立隨機抖動(dòng)和確定性抖動(dòng)的影響模型,以定量方式和定性方式改變施加的效應外，還能模擬信號在傳輸時(shí)由于特定介質(zhì)的不同特性導致的衰減、反射、串擾等信號的畸變。而且不需要使用復雜的外部設備去注入抖動(dòng)或者噪聲，所有的信號特性都在儀器的處理器和存儲器中合成，所以連接非常簡(jiǎn)便，同時(shí)可以減少儀器之間互聯(lián)可能引起的錯誤或者不確定性，如圖2所示。

對于合成信號的速率、抖動(dòng)注入的頻率和幅度、噪聲的幅度以及信號的上升時(shí)間，均可以通過(guò)泰克的SerialXpress軟件方便快捷的進(jìn)行定義，并可以實(shí)時(shí)模擬實(shí)現效果，如圖3所示。

圖3 使用SerialXpress軟件對串行信號特性進(jìn)行定義

對于去加重信號的直接合成方法完全不同于數字信號源，但得到的結果確完全相同。AWG存儲的信號已經(jīng)包含“去加重”特性，因此不需要生成及外部組合兩條數據流，以得到合成信號。如圖4中單一通道的輸出就可以實(shí)現。而且“去加重”的比例如-3.5dB、-6dB等可以根據需要任意的調節。

圖4 直接數字合成信號源對串行信號的“去加重”特性的模擬方法

直接合成信號源(AWG)在目前流行的串行總線(xiàn)一致性測試中的應用

1 SATA總線(xiàn)的一致性測試

目前SATA Workgroup已經(jīng)發(fā)布了發(fā)送端、線(xiàn)纜以及接收端的一致性測試規范和實(shí)現方法。SATA的接收端抖動(dòng)容限一致性測試要求DUT進(jìn)入回環(huán)模式。在設備處于這種模式時(shí)，由測試儀器（信號源）發(fā)送含抖動(dòng)的信號給DUT的接收端，然后DUT的發(fā)送端就會(huì )對已經(jīng)收到的信號做出正確的響應，最后由錯誤幀檢測器(Frame error detector)去檢測DUT的發(fā)送端響應輸出的數據是否正確，或者可以逐步調大信號源注入的抖動(dòng)幅度，直到Frame error detector檢測到錯誤幀出現，此時(shí)獲得的抖動(dòng)幅度就是接收端的抖動(dòng)容限值。傳統上需要外部PC上運行專(zhuān)門(mén)的應用軟件來(lái)強迫DUT進(jìn)入回環(huán)模式。遺憾的是，一旦斷開(kāi)信號源以后，大多數收發(fā)機就會(huì )自動(dòng)退出回環(huán)模式，返回正常操作，因此無(wú)法再繼續進(jìn)行測試。應對這一挑戰的常用解決方案是通過(guò)功率合成器向DUT 輸送BIST-L 命令，如圖5所示。通過(guò)在測試電路中使用電源組合器，數據發(fā)生器可以在環(huán)回模式激活時(shí)，開(kāi)始把測試數據發(fā)送到DUT，而不要求斷開(kāi)連接。功率合成器是一種可行的解決方案，但有它的缺點(diǎn)。很明顯，它提高了復雜度，增加了連接錯誤、電氣接觸不良及出現其他機械問(wèn)題的機會(huì )；它還需要校準所有輸入源，保證正確引入抖動(dòng)成分。最重要的是，功率合成器會(huì )使數據信號電壓衰減高達50%。

圖5 數字信號源實(shí)現SATA接收端抖動(dòng)容限測試的方法

如果采用AWG直接合成的方法，儀器可以代替PC發(fā)送回環(huán)指令。它不需要功率合成器或運行BIST-FIS軟件的PC。圖6是基于A(yíng)WG的抖動(dòng)容限測試系統：一臺儀器生成輸入信號，一臺儀器讀取輸出。通過(guò)SATA的測試配置可以看出，通過(guò)AWG采用直接數字合成方法構建測試環(huán)境非常簡(jiǎn)單和方便。

圖6 直接數字合成信號源實(shí)現SATA抖動(dòng)容限測試方法

2 DisplayPort 總線(xiàn)的一致性測試

在Display Port Compliance Test Specification Version1的接收端抖動(dòng)容限測試中，要求信號源提供包含不同的抖動(dòng)頻率、抖動(dòng)幅度以及抖動(dòng)成分的信號，輸入到Sink的接收端，然后看Sink的誤碼率來(lái)考驗接收端的性能，這對于傳統的數字信號源是一個(gè)挑戰，請看圖7中的傳統數字信號源的解決方案，為了合成復雜的抖動(dòng)成分，需要額外的增加一個(gè)噪聲信號發(fā)生器和矢量信號發(fā)生器，而且兩者還需要用Power Divider合成起來(lái)去給數字信號源注入抖動(dòng)，整個(gè)測試環(huán)境的構建十分復雜。而圖8的使用直接合成信號源實(shí)現方法的獨特優(yōu)勢在于它只需按一個(gè)鍵，就可以輸出合成的信號，這些信號包含正弦、ISI、Rj、Pj抖動(dòng)、預加重、平衡、跳變時(shí)間和幅度控制,連接簡(jiǎn)便而且測試的一致性和可重復性均很高。

圖7 傳統數字信號源實(shí)現DisplayPort接收端抖動(dòng)容限測試的方法

圖8 AWG采用直接數字合成信號源實(shí)現DisplayPort抖動(dòng)容限測試的方法

3 HDMI的一致性測試

在HDMI 的CTS1.3b的規范中，要求在Sink的抖動(dòng)容限測試中除了加入兩種頻率的抖動(dòng)外，還需要加入TTC(transition time converter)以及Cable emulator以保證信號的上升時(shí)間以及抖動(dòng)成分符合規范要求。數字信號源使用如圖9所示的方式來(lái)實(shí)現。

圖9 數字信號源實(shí)現HDMI接收端抖動(dòng)容限測試的方法

對于TTC,要求不同的測試頻率加入不同的TTC，分別為：74.25MHz/450ps、148.5MHz/220ps、165MHz/200ps、222.75MHz/150ps、340MHz/60ps。對于Cable emulator,同樣要求在不同的測試頻率使用5種不同特性的cable emulator。

根據規范對于Sink的測試，需要測試其在不同的時(shí)鐘頻率下的性能。這可能會(huì )導致在測試過(guò)程中頻繁的更換不同的TTC和Cable emulator。除了花費大量的時(shí)間外還可能會(huì )導致頻繁的改變連接引起的信號接觸不良等因素造成的測試差異。另外由于Cable emulator和TTC價(jià)格昂貴，需要額外支出大筆費用。采用直接合成信號的方式產(chǎn)生信號，TTC和Cable emulator的特性均可以采用AWG來(lái)進(jìn)行模擬。同樣如圖8所示，無(wú)論是測試DisplayPort還是HDMI，都可以方便通過(guò)AWG配合直接數字合成的方法在配置簡(jiǎn)單的情況下，方便地產(chǎn)生各種高速串行信號。

結論

直接數字合成的方式能任意的創(chuàng )建各種標準高速串行信號，使產(chǎn)生信號擁有一致性測量、極限測試和調試所需的全部特點(diǎn)，包括多電平信號、簡(jiǎn)單的SSC時(shí)鐘調制、復雜的抖動(dòng)和信號失真。這種技術(shù)可以在極大的簡(jiǎn)化測試連接的同時(shí)實(shí)現很好的測試一致性和可重復性。在未來(lái)的各種高速串行數據的信號完整性測試過(guò)程中，這種信號合成方法正為越來(lái)越多的串行信號測試標準委員會(huì )所采納。