信號(hào)完整性系列之十七—— 基于誤碼率的眼圖測(cè)試,ISOBER.doc

常規(guī)的眼圖測(cè)量眼圖測(cè)試是高速串行信號(hào)物理層測(cè)試的一個(gè)重要項(xiàng)目。眼圖是由多個(gè)比特的波形疊加后的圖形，從眼圖中可以看到：數(shù)字信號(hào)1電平、0電平，信號(hào)是否存在過沖、振鈴？抖動(dòng)是否很 大？眼圖的信噪比？上升下降時(shí)間是否對(duì)稱（占空比）？眼圖反映了大數(shù)據(jù)量時(shí)的信號(hào)質(zhì)量，可以最直觀的描述高速數(shù)字信號(hào)的質(zhì)量與性能。如圖1所示為某1.25G信號(hào)的眼圖?？梢钥吹皆撔盘?hào)的抖動(dòng)較大。另外，在很多高速數(shù)字信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)中，定義了不同測(cè)量點(diǎn)的眼圖模板。圖1的深藍(lán)色部分是眼圖模板，測(cè)量到的眼圖不能觸碰到該模板。在實(shí)時(shí)示波器中，通常使用連續(xù)比特位的眼圖生成方法。力科于2002年在業(yè)界最早采用連續(xù)比特位的眼圖測(cè)試方法。首先，示波器采集到一長(zhǎng)串連續(xù)的數(shù)據(jù)波形；然后，使用軟件CDR恢復(fù)時(shí)鐘，用恢復(fù)的時(shí)鐘切割每個(gè)比特的波形，從第1個(gè)、第2個(gè)、第3個(gè)、一直到第n-1個(gè)、第n個(gè)比特；最后一步是把所有比特重疊，得到眼圖。什么是BER?在數(shù)字電路系統(tǒng)中，發(fā)送端發(fā)送出多個(gè)比特的數(shù)據(jù)，由于多種因素的影響，接收端可能會(huì)接收到一些錯(cuò)誤的比特（即誤碼）。錯(cuò)誤的比特?cái)?shù)與總的比特?cái)?shù)之比稱為誤碼率，即Bit Error Ratio，簡(jiǎn)稱BER。誤碼率是描述數(shù)字電路系統(tǒng)性能的最重要的參數(shù)。在GHz比特率的通信電路系統(tǒng)中（比如Fibre Channel、PCIe、SONET、SATA），通常要求BER小于或等于 。BER= 指的是發(fā)送/接收了10 個(gè)比特，只允許1個(gè)比特出錯(cuò)。誤碼率較大時(shí)，通信系統(tǒng)的效率低、性能不穩(wěn)定。影響誤碼率的因素包括抖動(dòng)、噪聲、信道的損耗、信號(hào)的比特率等等?；谡`碼率的眼圖輪廓測(cè)試（BER Eye Contour）力科稱為ISOBER在上文中提到眼圖是多個(gè)比特位的信號(hào)疊加得到的測(cè)量結(jié)果，所以測(cè)試中需要注意眼圖是由多少個(gè)比特組成的？使用常規(guī)的實(shí)時(shí)示波器來(lái)測(cè)量高速串行信號(hào)的眼圖，在幾秒鐘內(nèi)可以生成1萬(wàn)個(gè)比特疊加的眼圖。力科示波器使用了創(chuàng)新的XStream II專利技術(shù)，可以快速的生成眼圖，以SDA816Zi測(cè)量3.125Gbps的XAUI信號(hào)為例，大概幾秒就可以得到上百萬(wàn)個(gè)比特的眼圖。即使如此速度，也很難直接測(cè)量到10 個(gè)比特的數(shù)據(jù)疊加得到的眼圖，與誤碼率聯(lián)系在一起，即BER=10 時(shí)的眼圖輪廓。假設(shè)每5秒測(cè)量到1M個(gè)比特的眼圖，測(cè)量10 的眼圖需要5*10 秒 = 1388.8小時(shí)，可見對(duì)于示波器來(lái)說，測(cè)量BER=10 的眼圖是很有挑戰(zhàn)性的。如圖2所示為疊加了282萬(wàn)個(gè)比特的眼圖?；谡`碼率的眼圖輪廓測(cè)試又稱為BER Eye Contour測(cè)試，在抖動(dòng)測(cè)量的權(quán)威文檔MJSQ（Methodologies for Jitter and Signal Quality Specification的縮寫）中提出用BERT scan方法來(lái)測(cè)量BER Eye Contour（見MJSQ Rev14.1的10.4.3節(jié)）。誤碼率測(cè)試儀BERT通過不斷調(diào)節(jié)延時(shí)時(shí)間得到在水平方向的特定決策點(diǎn)的誤碼率，同時(shí)可以測(cè)量到不同誤碼率的總體抖動(dòng)，同理，在垂直方向調(diào)節(jié)門欄電壓，可以得到特定電壓的誤碼率。同時(shí)掃描水平方向的延時(shí)和垂直方向的門欄電壓并測(cè)量誤碼率，即可得到眼圖內(nèi)任一個(gè)判決點(diǎn)的誤碼率，將相同誤碼率的點(diǎn)連線，即可得到某個(gè)誤碼率的眼圖輪廓（通過BERT得到BER Eye Contour的詳細(xì)介紹可以參考BERT廠商的相關(guān)技術(shù)資料）。力科在2008年10月推出了新一代的串行數(shù)據(jù)分析選件SDAII，SDAII可以測(cè)量某誤碼率的眼圖輪廓，是目前實(shí)時(shí)示波器中唯一可以測(cè)量誤碼率眼圖的解決方案。ISOBER的原理在力科示波器中，測(cè)量到一定數(shù)量比特疊加的眼圖后，以眼的中心為原點(diǎn)，以若干條對(duì)角線對(duì)眼圖進(jìn)行切割，如圖3所示的紅色直線是對(duì)眼圖進(jìn)行切割，計(jì)算出眼圖在每條切割線上的直方圖，如圖3中紅色拋物線所示。使用MJSQ文檔的Dual-Dirac模型對(duì)直方圖的尾部進(jìn)行擬合與外插值，推算出更多統(tǒng)計(jì)樣本時(shí)的直方圖分布，即低誤碼率時(shí)的直方圖的極值。把每條切割線上的直方圖在同一誤碼率的極值的座標(biāo)用直線連接，得到圖3下部分所示為各個(gè)誤碼率的眼圖輪廓。為了保證直方圖外插值的精度，通常需要累積上百萬(wàn)個(gè)比特的眼圖后再進(jìn)行ISOBER scan。（關(guān)于Dual-Dirac模型的詳細(xì)介紹，參考MJSQ文檔）ISOBER的應(yīng)用ISOBER可以快速測(cè)量出低誤碼率時(shí)的眼圖輪廓，對(duì)于高速串行信號(hào)的分析與驗(yàn)證非常實(shí)用。如下圖4所示是用力科示波器測(cè)量?jī)蓚€(gè)3.125Gbps信號(hào)的ISOBER圖。可見，在同樣測(cè)量了140萬(wàn)個(gè)比特的眼圖后，兩者的眼圖非常接近，眼高與眼寬也比較接近。但是，使用ISOBER掃描后，BER=10 的眼圖輪廓相差較大。在BER=10 時(shí)，左半部分的眼圖輪廓遠(yuǎn)小于右半部分的眼圖輪廓，說明右半部分的高速串行信號(hào)的整體性能優(yōu)于左半部分的。如果我們同時(shí)對(duì)兩路串行信號(hào)進(jìn)行抖動(dòng)分析，抖動(dòng)分解結(jié)果如表1所示?？梢园l(fā)現(xiàn)前者的隨機(jī)抖動(dòng)Rj較大（高達(dá)10.11ps），后者的周期性抖動(dòng)較大（36.37ps）。由于BER=10 的總體抖動(dòng)Tj(1e-12) Dj + 14.07 * Rj ，隨機(jī)抖動(dòng)Rj對(duì)于總體抖動(dòng)Tj的影響很大。盡管后者的Pj大于前者，但是前者的Rj大于后者，最終前者的Tj(1e-12)大于后者，所以不難理解為何前者的BER=10 的眼圖輪廓小于后者了。在串行數(shù)據(jù)鏈路中，隨機(jī)抖動(dòng)通常來(lái)自于高速收發(fā)器的時(shí)鐘，參考時(shí)鐘經(jīng)過鎖相環(huán)倍頻后為高速收發(fā)器提供時(shí)鐘，如果PLL的輸入時(shí)鐘的隨機(jī)抖動(dòng)較大時(shí)，經(jīng)過PLL倍頻后成比例增大（抖動(dòng)放大倍數(shù)是PLL的倍數(shù)的平方）。對(duì)于左半部分的串行數(shù)據(jù)鏈路，需要測(cè)量和分析參考時(shí)鐘和PLL。而周期性抖動(dòng)通常來(lái)自于開關(guān)電源噪聲和串?dāng)_，對(duì)于右半部分的串行數(shù)據(jù)鏈路，需要測(cè)量和分析高速收發(fā)器的電源噪聲、PLL的電源噪聲與抖動(dòng)。結(jié)語(yǔ)：在力科開發(fā)ISOBER之前，業(yè)界只