利用IBERT IP核實(shí)現GTX收發(fā)器硬件誤碼率測試實(shí)例

1. 引言

Vivado中提供了1種IBERT工具用于對Xilinx FPGA芯片的高速串行收發(fā)器進(jìn)行板級硬件測試。通過(guò)IBERT我們可以獲取誤碼率，觀(guān)察眼圖，調節串行收發(fā)器的參數，從而有助于判斷可能存在的問(wèn)題，便于驗證硬件的穩定性和信號完整性。本測試實(shí)例教程使用IBERT工具對與SFP連接的GTX進(jìn)行5 Gbps速率下的測試。從誤碼率和眼圖兩個(gè)角度來(lái)驗證電路板GTX部分工作的穩定性和可靠性。本測試實(shí)例基于Vivado 2019.1版本開(kāi)發(fā)。

本測試實(shí)例是在購買(mǎi)的明德?lián)P(MDY) K7核心板上進(jìn)行的，這款核心板能夠方便二次開(kāi)發(fā)利用。在FPGA 芯片的HP 端口上掛載了4片DDR3存儲芯片，每片DDR3 容量512 MB 字節，組成64bit 位的數據位寬。4個(gè)板對板連接器擴展出了276個(gè)IO，全部IO的電平可以通過(guò)更換核心板上的磁珠來(lái)修改，滿(mǎn)足用戶(hù)對+3.3V、+2.5V、+1.5V電平接口的需求，另外也擴展出了16對高速收發(fā)器GTX接口。供電范圍大，5-12V電壓均可。通過(guò)手冊了解到同一個(gè)BANK管腳到連接器接口之間走線(xiàn)做了等長(cháng)和差分處理。該核心板的結構示意圖如圖1。

圖1 該核心板結構示意圖

2. 測試原理

IBERT中的BERT是Bit Error Ratio Test的縮寫(xiě)，指比特出錯概率測試，簡(jiǎn)而言之就是誤碼率測試。誤碼率（Bit Error Rate，BER）作為高速數據傳輸技術(shù)中的重要指標，它代表了數據傳輸的可靠性。對于數字通信系統，BER可以定義為出現錯誤碼的估計概率。這意味著(zhù)任何通過(guò)系統傳輸的比特都可能被錯誤地接收。因此，發(fā)送的“1”接收到為“0”，或傳輸為“0”被接收到的為“1”。在實(shí)際測試中，誤碼率是通過(guò)系統傳輸一定比特的比特數和計算接收到的不正確的比特數來(lái)測量的。誤碼率是接收到的錯誤比特數與傳輸的總比特數之比。利用累積分布函數定義置信系數SLC（Statistical Level of Confidence）：

式中，N為傳輸中發(fā)生錯誤的比特數，n為傳輸的總的比特數，p = 10-12，通過(guò)置信系數得到在傳輸n bit后誤碼率為：

式中，BER 傳輸n bit發(fā)生錯誤概率，ln[.]是自然對數。當沒(méi)有檢測到錯誤（N = 0）時(shí)，式5.7中的第二項等于零，方程的求解得到了很大的簡(jiǎn)化。

首先對明德?lián)PXilinx K7核心板光纖接口進(jìn)行了誤碼率。Vivado中IBERT工具的測試原理是通過(guò)收發(fā)器由外部回環(huán)進(jìn)行自收自發(fā)而實(shí)現。就是將同一組收發(fā)器的TX和RX進(jìn)行短接，TX發(fā)送端通過(guò)發(fā)送某種特定序列的數據流，在RX接收端接收后，通過(guò)比對發(fā)送和接收的數據，從而得出接收端誤碼的統計值。將光模塊插入SFP屏蔽籠內，然后通過(guò)單根光纖將光模塊的TX和RX短接，便可以通過(guò)IBERT工具對GTX進(jìn)行測試。

3. QUAD(GTX BANK)、CHANNEL、GTX間的關(guān)系

首先可以從圖2中看到XC7K325T中共有16個(gè)GTX，每4個(gè)GTX組成一個(gè)Bank，稱(chēng)為Quad，即XC7K325T芯片共有4個(gè)Quad。

              圖2 Kintex-7 FPGA(XC7K325T)GTX結構圖

如圖3所示，具體看Quad布局圖，可以看到一個(gè)Quad包含4個(gè)GTX_channel（簡(jiǎn)稱(chēng)GTX或channel）和一個(gè)QPLL。

                                圖3 Quad布局圖  

所以Kintex-7 FPGA(XC7K325T)中quad、channel、GTX相互關(guān)系如圖4所示。1個(gè)Quad中有2個(gè)參考時(shí)鐘（REFCLK0,REFCLK1），根據板卡設計圖可知具體使用REFCLK0還是REFCLK1，參考時(shí)鐘頻率應根據核心板實(shí)際晶振頻率來(lái)選擇。

圖4 quad、channel、gtx相互關(guān)系

4. 測試結果

通過(guò)新建IP核工程，為IBERT協(xié)議配置定義界面，IP核有一些預置的協(xié)議，如收發(fā)器線(xiàn)速率選擇，位寬選擇，收發(fā)器參考時(shí)鐘來(lái)源和頻率等。本設計SFP+來(lái)自Quad116，參考時(shí)鐘來(lái)自MGTREFCLK1_116。本設計將GTX收發(fā)器參考輸入時(shí)鐘作為其系統時(shí)鐘。之后例化，生成bit流文件，完成FPGA配置文件生成。按照測試原理，我們將SFP+的光纖模塊的TX和RX短接，如圖5所示。連接好硬件，將bit文件下載到硬件電路板。

圖5 硬件實(shí)物圖與連接

選擇需要查看眼圖的鏈路，眼圖參數可以使用默認參數，收發(fā)器眼圖測試結果如圖6所示。

圖6 測試收發(fā)器眼圖

利用單根光纖將光模塊輸入輸出短接進(jìn)行回環(huán)測試，使用IBERT IP核測試，通過(guò)Xilinx下載器將數據讀出?；丨h(huán)測試序列使用PRBS-31。每2小時(shí)記錄一次數據，總共測試48小時(shí)。測試結果如圖7所示，橫坐標為時(shí)間，連續運行48小時(shí)后，縱坐標為誤碼率，光纖通信誤碼率為2 × 10-15，速率穩定在5 Gbps，除去編碼開(kāi)銷(xiāo)實(shí)際速率為4 Gbps，滿(mǎn)足一般的速率需求。

圖7 誤碼率測試

5. 總結

通過(guò)環(huán)回方式的誤碼率測試，可判斷出存在的問(wèn)題以及測試出板卡實(shí)際支持的速率。IBERT可在運行過(guò)程中設置高速串行收發(fā)通道的各項參數，并提供了多種環(huán)回模式及多種測試激勵源，并可通過(guò)自動(dòng)掃描測試，確定收發(fā)的最佳參數?？梢詽M(mǎn)足硬件測試時(shí)對高速串行收發(fā)通道信號測試的大部分需求，在故障定位等場(chǎng)合均可使用。