深入淺出談高速串行信號測試（一）

記得大概在6 年前，隨便翻閱一本計算機相關(guān)雜志，看到一則硬盤(pán)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(xiàn)。當時(shí)我還沒(méi)有接觸高速數字電路方面的知識，腦子里還是傳統的教科書(shū)式的關(guān)于數字電路的概念：串行，或是異步串行總線(xiàn)，無(wú)外乎RS232 、RS485 等。居然串行構架的傳輸效率高過(guò)于并行的系統，簡(jiǎn)直無(wú)法想象?；仡^看看這幾年市場(chǎng)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)于高速串行數字電路設計、測試的知識體系的一個(gè)梳理。特別是在加入Tektronix 之后，負責HSSD （High Speed Serial data ）測試產(chǎn)品的支持，從日常接觸的客戶(hù)中，了解到很多具體的應用和實(shí)例，在一定程度上講，Tektronix 就像小蜜蜂一樣，在不同的客戶(hù)中間，傳播著(zhù)HSSD 設計、測試的理念和經(jīng)驗。這篇小東西包含了涉及HSSD 各個(gè)方面的內容，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(jiàn)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(pán)“小甜點(diǎn)”，給大家帶來(lái)內心那一份久違的、輕松愉悅的微笑。

一、高速串行總線(xiàn)基本知識

并行總線(xiàn)之所以在高速傳輸上被串行總線(xiàn)取代的原因就在于：第一，系統時(shí)鐘的瓶頸；第二，總線(xiàn)間的串擾。要達到上Gbps的傳輸速率，對于并行總線(xiàn)而言，勢必時(shí)鐘頻率要達到GHz，就算是使用DDR方式，其系統時(shí)鐘頻率之高，在板級分布之困難，使得我們望而卻步。而動(dòng)輒幾十條走線(xiàn)等長(cháng)的排布，可控的串擾，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(cháng)走線(xiàn)要求越來(lái)越嚴格，并行總線(xiàn)的瓶頸似乎變得非常的突出。

串行總線(xiàn)沒(méi)有時(shí)鐘?；蚴钦f(shuō)在串行總線(xiàn)收發(fā)兩端，不需要同步時(shí)鐘。這是串行總線(xiàn)最突出的一個(gè)特點(diǎn)。這是這個(gè)特點(diǎn)，一舉將并行構架的瓶頸打破，數據速率可謂突飛猛進(jìn)！最新在PC行業(yè)的動(dòng)向是8Gbps的PCIE Gen3。而在通信行業(yè)，超過(guò)10Gbps的串行總線(xiàn)早已在使用了。

對于高速串行系統的驗證與測試和傳統的信號測試有自己特殊的之處，傳統信號測試關(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(xiàn)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(mǎn)足接收端能否正確的鎖存數據，數據和時(shí)鐘的時(shí)序必須滿(mǎn)足建立/保持時(shí)間的要求，否則會(huì )產(chǎn)生誤碼。對于高速串行系統而言，測試的目的也是為了驗證系統是否滿(mǎn)足設計要求的誤碼水平。并行和串行的差別就在于發(fā)送端和接收端對數據鎖存的處理和時(shí)鐘的傳輸上的差異。串行系統在發(fā)送斷通過(guò)串行發(fā)送器將數據按照Tx clk的節拍發(fā)送到總線(xiàn)上，在接收端必須能夠從數據中恢復出時(shí)鐘，并且用該時(shí)鐘鎖存數據，進(jìn)行解碼。在串行系統中，我們不再關(guān)心時(shí)鐘和數據信號之間的時(shí)序，而是關(guān)心在發(fā)送端是否能否嚴格按照時(shí)鐘節拍發(fā)送數據；在接收端能否恢復出時(shí)鐘；在互連層面關(guān)心傳輸線(xiàn)對信號完整性，特別是抖動(dòng)的影響。

圖表 1典型的串行系統

那么如何去定量串行系統的性能呢？在高速串行系統中，主要通過(guò)眼圖測試。眼圖是把連續的比特流按照某一特定的時(shí)鐘，分割為單獨的比特，而后疊加而形成的圖形，類(lèi)似一個(gè)張開(kāi)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(guān)的信號質(zhì)量的體現，在眼圖中能直接反映出信號串行信號的幅度（如眼高、過(guò)沖、噪聲等）和時(shí)序（如上升/下降時(shí)間、UI長(cháng)度、眼寬、抖動(dòng)等）特性。在接收端，理想的時(shí)鐘判決應該發(fā)生在整個(gè)眼圖的中間，這樣才能保證系統有最好的誤碼特性。

圖表 3理想的采樣時(shí)刻-中間的紅色十字

接收端是如何恢復出嵌入在串行數據中的時(shí)鐘呢？是通過(guò)接收端的時(shí)鐘數據恢復（CDR）來(lái)完成的。CDR的實(shí)現可以有很多中方式，通常使用鎖相環(huán)(PLL)或者鑒相器(PI)來(lái)完成。PLL類(lèi)型的CDR通過(guò)數據中0-1的跳變來(lái)鎖定時(shí)鐘相位和頻率，在一定的范圍內能夠跟蹤數據信號的抖動(dòng)，以保持時(shí)鐘和數據相位的一致，而后通過(guò)判決電路(DC)得到數據。PLL類(lèi)型的CDR要求數據中有足夠多的0-1跳變，而且數據必須是直流平衡的，因此在數據進(jìn)入到串行發(fā)送器之前，會(huì )通過(guò)8B/10B編碼，使得數據有足夠多的跳變，并且保證一段數據流中0和1的個(gè)數相同。

圖表 4 PLL類(lèi)型的CDR電路

CDR的目的很明確，跟蹤數據抖動(dòng)的變化（產(chǎn)生和數據同步的抖動(dòng)），保證在DC中不會(huì )出現誤碼。CDR對數據的跟蹤也不是萬(wàn)能的，如果數據中的抖動(dòng)頻率超過(guò)了PLL的環(huán)路帶寬，那么PLL是無(wú)法跟蹤的，數據抖動(dòng)就會(huì )傳遞到DC中，可能會(huì )影響到數據的提取而產(chǎn)生誤碼。所以CDR的時(shí)鐘恢復是有范圍的，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(dòng)成分能被跟蹤，而超出帶寬的抖動(dòng)是真正影響到誤碼率性能的抖動(dòng)，我們所要考察的串行系統的抖動(dòng)，就是那些不能被PLL跟蹤的抖動(dòng)！所以，在眼圖測試中，必須要給定CDR的類(lèi)型，否則盲目的測試眼圖和抖動(dòng)是沒(méi)有任何意義的。

圖表 5抖動(dòng)測試目的是發(fā)現在接收端無(wú)法被跟蹤的抖動(dòng)

明確的眼圖測試的目的和注意事項后，我們就可以根據被測系統規劃合適的測試方案：

• 通過(guò)系統的串行速率選擇合適帶寬的示波器
• 根據串行系統的誤碼標準，制定眼圖模板
• 設計測試使用的CDR模型，正確模擬接收端的抖動(dòng)情況
• 選擇合適的測試項目，明確測試目的是以驗證為主還是調試為主

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)行高速串行系統功能驗證和調試的工具大致有：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、調試能力、效率以及成本作為考察項目，將上述幾種測試設備做簡(jiǎn)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200fs，垂直14bitADC，動(dòng)態(tài)范圍大，自身噪底低(具體指標請參見(jiàn)文檔2)。因此采樣示波器除了分析抖動(dòng)外，同時(shí)還可以分析噪聲對串行系統誤碼的影響。但是采樣示波器采必須需要外觸發(fā)，只能觀(guān)察周期性、重復的波形，不具備實(shí)時(shí)示波器靈活的觸發(fā)功能，因此在調試能力方面，實(shí)時(shí)示波器是其中最強大的。例如Tektronix DSA系列示波器中的串行觸發(fā)，可以觸發(fā)到數據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能夠快速的同步數據，進(jìn)行眼圖、抖動(dòng)分析。而誤碼儀是專(zhuān)用的誤碼測試設備，其測試精度是最高的。誤碼儀是一個(gè)閉環(huán)的系統，通過(guò)對比發(fā)送和接收到的數據來(lái)計算誤碼。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(huà)，要至少保證在連續的3E+12個(gè)比特中沒(méi)有誤碼。如果該串行速據的速度為1Gbps，那么3E+12個(gè)比特意味著(zhù)要測試3000秒才能得到結果，而且這是最樂(lè )觀(guān)的估算。時(shí)間間隔分析儀是專(zhuān)用的測試時(shí)間間隔的儀器，時(shí)間測試精度高，但是設備本身帶寬有效，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(lái)，實(shí)時(shí)示波器的綜合能力在所有抖動(dòng)分析測試工具里面是最強的。