25Gbps以上高速串行總線(xiàn)的測試挑戰

引言：當今由于電子產(chǎn)品對數據吞吐率要求越來(lái)越高，這使得信號傳輸速率也越來(lái)越高且往往需要多個(gè)通道同時(shí)傳輸，這給測試帶來(lái)了很大的挑戰。

當今由于電子產(chǎn)品對數據吞吐率要求越來(lái)越高，這使得信號傳輸速率也越來(lái)越高且往往需要多個(gè)通道同時(shí)傳輸，這給測試帶來(lái)了很大的挑戰。首先，測試系統本身的帶寬需要足夠高;其次，高帶寬通道的數量也需要足夠多，且通道之間的失序一致性也要求足夠的精確。另外，還需要具備多通道的分析能力以描述多個(gè)通道之間的串擾，噪聲，眼圖，抖動(dòng)等。本文將主要分析這些挑戰以及Teledyne LeCroy(力科)有哪些解決方案來(lái)應對這樣的挑戰。

一、高速串行總線(xiàn)的特點(diǎn)及測試挑戰

近幾年來(lái)，移動(dòng)通信和云計算的發(fā)展正在驅動(dòng)著(zhù)更高數據吞吐量的需求，為了滿(mǎn)足這種需求，誕生了很多新興的技術(shù)標準，如：PCIe Gen3，40/100 Gbase-R，SAS3等;這些高速串行總線(xiàn)具有如下特點(diǎn)：

1、更高的速率，如40/100 Gbase-R單通道數據速率高達28 Gbps;這要求測試系統(如示波器)具有更高的帶寬，對于一個(gè)28Gbps信號，如需要測量到3次諧波，則需要42GHz帶寬;如需要測量到5次諧波，則需要70GHz以上的帶寬。

2、多通道架構-并行化串行傳輸-傳輸密度更高，如PCIE3.0，最多可以支持32個(gè)通道，每個(gè)通道的速率達到8Gbps;當前已經(jīng)成熟的100G光通信采用了四路調制信號并行傳輸的方法，每一路速率都達到28Gbps。多通道數據傳輸需要測試儀器能夠進(jìn)行多通道的分析。

3、高速率、多鏈路情況下，串擾問(wèn)題更加突出。

4、多鏈路間的時(shí)序匹配要求更高，如上圖2 100G光通信中的四路28Gbps信號采用了DPQPSK雙偏振正交相移鍵控，四路信號間需要有非常嚴格的時(shí)間同步，以保證精確的進(jìn)行調制與解調。這要求測試儀器不僅具有多個(gè)通道，而且通道間需要保持精確的同步。

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二、如何應對這些測試挑戰

1、高達100GHz的高帶寬、多達80通道的模塊化示波器

Teledyne LeCroy(力科)公司的高帶寬模塊化示波器能夠實(shí)現：高帶寬、高帶寬多通道、高帶寬多通道之間的精確相位同步。該系列示波器(LabMaster 10Zi)采用了多項創(chuàng )新技術(shù)，如圖1所示，包括最新的8HP鍺化硅 (SiGe) 芯片組技術(shù)(實(shí)現單通道模擬帶寬36GHz);數字通道復用技術(shù) (DBI)專(zhuān)利技術(shù)，此技術(shù)突破了芯片級的帶寬限制，是力科的第7代成熟的DBI專(zhuān)利技術(shù)，當前能夠將示波器帶寬延伸到100GHz;通道同步專(zhuān)利(ChannelSyncTM )，精確的同步最多20個(gè)采集模塊，高達80 通道 @ 36 GHz，高達40 通道 @ 65 GHz，高達20 通道 @ 100 GHz。

該系列模塊化示波器不僅擁有足夠帶寬以實(shí)現28Gbps及以上高速信號的測量，而且其模塊化系統架構能夠實(shí)現多個(gè)通道的高速信號的精確同步測量。力科LabMaster10Zi的通道同步架構具備兩個(gè)非常重要的特點(diǎn)：1)每個(gè)采樣模塊的參考時(shí)鐘來(lái)源于主控模塊。一個(gè)專(zhuān)門(mén)的時(shí)鐘分布網(wǎng)絡(luò )ChannelSync，直接把10GHz時(shí)基時(shí)鐘分配到每個(gè)采集模塊，整個(gè)系統只有一個(gè)時(shí)基電路。ChannelSync采用了高穩相電纜，對信號的保真度高。并且由于時(shí)基時(shí)鐘頻率高、擺率大，因此受幅度噪聲的影響小。2)所有模塊的每個(gè)通道都由主模塊的觸發(fā)電路控制，即使這個(gè)觸發(fā)電路有觸發(fā)抖動(dòng)，也不影響通道之間的相對時(shí)序關(guān)系。因此，多通道LabMaster本質(zhì)上就是一個(gè)單臺示波器，同步精度大大優(yōu)于多臺示波器通過(guò)級聯(lián)方式實(shí)現的多通道示波器系統。

如何應對這些測試挑戰(2)

2、新一代多通道同步分析的串行數據分析軟件SDAIII

多鏈路的高速串行數據不僅需要足夠高的示波器進(jìn)行精確的采集，對采集到的數據還需要有能力進(jìn)行分析和處理，查找可能存在的一些根源。Teledyne LeCroy的SDAIII串行數據分析軟件除了能夠實(shí)現傳統的眼圖、抖動(dòng)等項目測試以外，其突出的特點(diǎn)是能夠同時(shí)進(jìn)行4個(gè)通道+一個(gè)參考通道的高速信號分析，而且能進(jìn)行噪聲和串擾分析，并集成了虛擬探測和眼圖醫生的仿真測試功能。圖2所示為SDAIII的流程圖式的界面。

圖2：SDAIII框圖

利用SDAIII可以實(shí)現三種情形的串行數據分析：(1)多條鏈路間的分析;(2)同一鏈路上不同節點(diǎn)的分析;(3)同一鏈路上同一節點(diǎn)不同情形的分析(如實(shí)際測量結果，施加預加重，使用CTLE均衡，使用DFE均衡等測量結果的對比)，三種情形和測試結果如圖3所示。

圖3：SDAIII實(shí)現多種情形下的分析

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3、12端口信號完整性網(wǎng)絡(luò )分析儀SPARQ

對于高速信號，串擾的影響已經(jīng)不可忽略。頻域S參數的測量是衡量串擾大小的一個(gè)很好的方法。而對于具有多個(gè)端口的串行數據鏈路，則需要多端口的網(wǎng)絡(luò )分析儀，傳統的VNA(矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀)會(huì )非常昂貴，Teledyne LeCroy(力科)針對信號完整性領(lǐng)域的頻域參數測量特點(diǎn)，專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)了這款S參數測量?jì)xSPARQ(圖4)，相對于傳統的VNA，具有一系列優(yōu)秀的特點(diǎn)：

(1)一鍵式操作即可快速完成S參數的測量;

(2)內置OSLT 自動(dòng)校準，不需要手動(dòng)的連接和斷開(kāi), 也不需要昂貴的ECAL自動(dòng)校準件，不必再擔心校準件丟失或者損壞;

(3)可輸出完全符合仿真格式的S參數，具有passivity(無(wú)源性)，reciprocity(互操作性) 以及causality等(因果性)物理特性增強功能，S參數中包含了DC 點(diǎn);

(4)包括頻域和時(shí)域結果顯示，不僅包含標準的單端和混合模式S參數測試結果，也提供階躍響應，脈沖響應，阻抗和阻抗系數等時(shí)域測試結果，時(shí)域結果顯示更加直觀(guān)，有利于調試測試中遇到的問(wèn)題;

(5)自動(dòng)去嵌到DUT的測試參考平面，通過(guò)基于S參數的方法消除線(xiàn)纜，適配器以及夾具對測量結果的影響;

(6)固有的TDR/TDT能力：TDR/TDT 的工作模式有助于快速的核查和調試測量中的問(wèn)題;

(7)小巧，輕便，基于PC， 且使用非常方便。

圖4：12端口SPARQ

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三、25Gbps信號經(jīng)過(guò)背板后的實(shí)測及均衡處理

圖5所示為一個(gè)實(shí)測的25Gbps信號，從信號源輸出的眼圖很好，但是經(jīng)過(guò)20inch背板后眼圖已經(jīng)完全閉合，經(jīng)過(guò)預加重和均衡后眼圖得到了改善，而且通過(guò)SDAIII多眼圖分析能力，我們可以非常清楚的觀(guān)察和對比預加重和均衡對閉合眼圖的改善效果。由于SDAIII集成了通道仿真、預加重、均衡等仿真功能，因此我們可以將力科的SPARQ(用于分析和測量S參數)和示波器整合到一起形成一套更加完善的信號完整性分析解決方案。

圖5：25Gbps信號實(shí)測及經(jīng)過(guò)背板后和施加預加重均衡后的眼圖效果