直接合成方法簡(jiǎn)化串行數據接收機極限測試

　　多年來(lái)，寬同步并行總線(xiàn)一直是在數字設備之間交換數據的既定的實(shí)現技術(shù)。但是，定時(shí)問(wèn)題一直“折磨著(zhù)”較高時(shí)鐘頻率和數據速率的并行總線(xiàn)，嚴重地限制了它們滿(mǎn)足服務(wù)器和圖形系統中更高速計算結構需求的能力。在過(guò)去幾年中，串行總線(xiàn)技術(shù)的普遍實(shí)施變革了計算行業(yè)。串行總線(xiàn)只發(fā)送一條碼流，“自行獲得時(shí)鐘輸入”，從而消除了與并行技術(shù)有關(guān)的定時(shí)偏移。在串行傳輸中，同步遠不是什么問(wèn)題，解決了對整體吞吐量的結構限制。結果，串行數據速率已經(jīng)提高到1Gb/s以上，當前實(shí)現方案已經(jīng)接近3~6Gb/s。但是，隨著(zhù)幾千兆位的串行數據速率在數字系統中日益常見(jiàn)，信號完整性、也就是集成電路正確運行必需的信號質(zhì)量正成為設計人員擔心的首要問(wèn)題。數據流中的一個(gè)壞碼就可能給指令或交易輸出帶來(lái)巨大的影響。

　　串行數據設計的測試流程正隨著(zhù)數據速率的提高而演變。幾乎所有串行標準(如PCI Express或串行ATA)的標準機構都出版了一套推薦的測試規范。隨著(zhù)數據速率超過(guò)1 Gb/sec，標準開(kāi)始重視接收機極限測試，把它作為高速串行設計成功進(jìn)行互通的一個(gè)關(guān)鍵檢查點(diǎn)。隨著(zhù)位判定容限變得越來(lái)越精確(使用皮秒和微伏度量)，設計環(huán)境在遇到噪聲、抖動(dòng)、串擾、分布式電抗、電源變化和其它問(wèn)題時(shí)，可能會(huì )給接收的信號帶來(lái)巨大的代價(jià)。

　　為有效測試高速串行接收機極限，必需以于真實(shí)情況一致的方式“重建”上述信號，確定接收機能否以預測的精度水平管理位判定。為什么要使用模擬波形表示數字數據呢？這是因為數字信號下面是模擬事件。教科書(shū)上數字信號的零上升時(shí)間和完美的平頂都是虛構的，實(shí)際環(huán)境中的數字“方波”很少類(lèi)似于理論值。模擬波形信號源的優(yōu)點(diǎn)是能夠統一仿真這些不理想的模擬特性。

　　為進(jìn)行接收機極限測試生成重建信號的技術(shù)稱(chēng)為直接數字合成技術(shù)。該技術(shù)是1971年出版的一篇IEEE論文中闡述的工程設計方法1，允許工程師創(chuàng )建信號，體現通過(guò)傳輸線(xiàn)傳播時(shí)的效應。上升時(shí)間、脈沖形狀、延遲和畸變都是可以控制的，這正是嚴格的串行總線(xiàn)測試所要完成的工作。
直接合成技術(shù)是一種基于采樣的技術(shù)。示波器從模擬波形中采集樣點(diǎn)，直接合成信號源或任意波形發(fā)生器(AWG)則從樣點(diǎn)中創(chuàng )建模擬波形。其輸出與串行數據總線(xiàn)一樣，表示為一個(gè)數字數據集合。AWG存儲器中的樣點(diǎn)基本上可以定義任何波形，包括數字脈沖。當然，物理學(xué)和帶寬的限制仍然適用，但在規定范圍內，AWG可以象440 Hz樂(lè )譜一樣生成5 Gb/s串行數據包。新一代AWG (參見(jiàn)圖1)正在出現，其能夠以當前串行總線(xiàn)中常見(jiàn)的高數據速率傳送信號。

　　新型儀器提供了高達20 GS/s的采樣率，擁有多個(gè)輸出及充足的存儲器，可以支持長(cháng)碼型序列。這種新技術(shù)可望變革串行測量，特別是在接收機一側。

　　例如，可以采用直接合成方法，在串行碼流中插入抖動(dòng)，確定其對接收機行為的影響。抖動(dòng)是一種信號完整性現象，其一般會(huì )“弄臟”邊沿位置，使眼圖張開(kāi)程度變窄。工程師一直使用傳統碼型發(fā)生器測試接收機極限，傳統上抖動(dòng)插入一直通過(guò)數據發(fā)生器(DG)平臺進(jìn)行管理，其也稱(chēng)為定時(shí)/碼型發(fā)生器，長(cháng)期來(lái)一直是串行測量的支柱，包括接收機抖動(dòng)容限測試。下面將比較DG和碼型發(fā)生器方法與采用直接合成技術(shù)的新興方案。圖2是在接收機上進(jìn)行抖動(dòng)測量的典型測試設置。它說(shuō)明了提供同時(shí)包含隨機抖動(dòng)和確定性抖動(dòng)的數據碼型所需的設備。

　　這種方法要求在測試套件中調節抖動(dòng)和噪聲成分，在DUT中引入特定數量的總抖動(dòng)，直到其開(kāi)始傳送錯幀或誤碼。它測量抖動(dòng)幅度，確定器件是否滿(mǎn)足規范。設備配置的目標是代替實(shí)際環(huán)境中的系統組件，生成最終用戶(hù)應用中預計會(huì )遇到的任何類(lèi)型的抖動(dòng)。

　　接收機的基礎結構進(jìn)一步提高了這一測試設置的復雜性。針對串行ATA2等標準進(jìn)行的接收機極限測試要求DUT進(jìn)行帶有特定幀信息結構(FIS)的內置自檢(BIST)。串行收發(fā)機(包括發(fā)射機、接收機和SERDES單元)設計成在收到特定BIST-L (環(huán)回)幀序列時(shí)進(jìn)入專(zhuān)用環(huán)回模式。在器件處于這種模式時(shí)，發(fā)射機會(huì )回復已經(jīng)收到的信號。

　　從歷史上，BIST指令一直由運行為該目的設計的應用軟件的外部PC提供。遺憾的是，一旦BIST源斷開(kāi)連接，大多數收發(fā)機會(huì )切換出環(huán)回模式，返回正常操作，因此不可能運行測試。解決這一挑戰的傳統方式是通過(guò)電源組合器把BIST命令輸送到DUT。電源組合器的另一個(gè)輸入連接到信號發(fā)生器上，信號發(fā)生器提供測試數據流，如圖2所示。通過(guò)在測試電路中使用電源組合器，一旦激活環(huán)回模式，數據發(fā)生器可以開(kāi)始把測試數據推動(dòng)到DUT，而不要求斷開(kāi)連接。電源組合器是一種可行的解決方案，但有自己的缺點(diǎn)。很明顯，它提高了復雜性，給連接錯誤、不良電氣接觸和其它機械問(wèn)題帶來(lái)了又一個(gè)可能性。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，電源組合器使數據信號電壓衰減達50%。通過(guò)提高數據發(fā)生器的輸出幅度，通?？梢越鉀Q這個(gè)問(wèn)題，但儀器性能總是有限的。此外，提高幅度不可避免地會(huì )提高噪聲，進(jìn)而可能會(huì )提高失真。

　　采用AWG的直接合成方法簡(jiǎn)化了這些復雜性。通過(guò)使用AWG，可以創(chuàng )建一個(gè)模擬波形，仿真進(jìn)行極限測試所需的抖動(dòng)幅度。此外，BIST指令集可以編碼到波形中，激活DUT。這只是使用AWG和直接合成技術(shù)可以完成的多種任務(wù)的一部分。為正確創(chuàng )建波要求軟件能夠從協(xié)議層查看信息，并轉換成可執行的波形文件。如泰克最近推出的RFXpress，它可以基于WiMedia查看協(xié)議層，適合創(chuàng )建/編輯波形。通過(guò)這種強大的新型工具(參見(jiàn)圖3)，特定標準設計工程師能夠創(chuàng )建特定碼型波形，為抖動(dòng)和DUT通信等其它單元奠定基礎。




圖3 使用泰克RFXpress創(chuàng )建WiMedia波形

　　隨著(zhù)數據速率不斷攀升，高速串行設計驗證正把更多的重點(diǎn)放在接收機極限測試上。測試設置復雜性與實(shí)際環(huán)境信號可變的模擬特點(diǎn)，需要改進(jìn)的測試技術(shù)。隨著(zhù)最近高速采樣率任意波形發(fā)生器的問(wèn)世，能夠使用直接合成技術(shù)完成極限測試已經(jīng)引起了業(yè)界的注意。泰克AWG7000任意波形發(fā)生器擁有適當的波形編輯工具或波形庫，能夠生成不理想的信號或回放捕獲的實(shí)際信號，包括信號噪聲、抖動(dòng)、預加重和去加重及高達10-Gb/sec的多電平信號。此外，泰克網(wǎng)站上提供了為測試各種高速標準而創(chuàng )建的豐富的波形庫3 (如SATA, WiMedia, 高速USB, 以太網(wǎng))。