高速串行信號接收機測試_圖文

1、信號完整性分析基礎(chǔ)系列之十九高速串行信號接收機測試萬力勱 美國力科公司成都代表處摘要：本文討論了高速串行信號接收機測試的必要性和方法，介紹了一種針對當(dāng)前主流串行信號標(biāo)準(zhǔn)的測試儀器PeRT3關(guān)鍵詞：高速串行信號；接收機測試；誤碼率測試；抖動容限測試；力科PeRT31. 背景網(wǎng)絡(luò)、多媒體、移動通信對提高數(shù)據(jù)吞吐率的需求與日俱增，推動計算機和通信技術(shù)不斷突破速度極限。圖 1是當(dāng)前主流計算機外設(shè)總線的速率演變情況。 圖 1 主流高速串行標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)圖數(shù)據(jù)率越高，信道趨膚效應(yīng)和介質(zhì)損耗對信號質(zhì)量的影響越嚴(yán)重，在時域上表現(xiàn)為：邊沿變緩，碼間干擾加劇，抖動增加。通常使用眼圖來評估高速信號質(zhì)量。下圖是三種速率的信

2、號在發(fā)送端和接收端分別測得的眼圖?？梢悦黠@看出，速率越高，接收端的眼圖閉合程度越小。能否在接收端正確檢測出受損的信號，是高速收發(fā)器芯片設(shè)計者面臨的挑戰(zhàn)。 圖 2 不同速率信號的失真程度在以往的高速串行信號一致性測試標(biāo)準(zhǔn)里，一般都要求測試發(fā)送端性能，比如輸出電壓擺幅、上升時間、抖動、眼圖等。隨著速率提高，僅僅測試信號發(fā)送端已經(jīng)不能保證高速鏈路能按預(yù)期性能正常工作，必須對接收機性能也進(jìn)行測試。USB 3.0、PCI Express 3.0以及SATA 和SAS 規(guī)范已經(jīng)明確要求進(jìn)行接收機測試。2. 接收機測試原理在發(fā)送器測試中，通常利用示波器直接測量輸出信號的幅度、上升/下降時間、眼圖和抖動，從而

3、評估發(fā)送器的驅(qū)動能力、預(yù)加重、參考時鐘穩(wěn)定性等各項性能。在接收端，典型的接收機芯片框圖如下： 圖 3 典型接收機內(nèi)部框圖它包含信號檢測（放大，均衡）基于鎖相環(huán)（PLL ）的時鐘恢復(fù)判決電路（并轉(zhuǎn)串，線路碼解碼）對接收機性能的測試實際就是對以上三個主要部件的性能測試：1）可以識別出多小幅度的信號，即接收靈敏度2）時鐘恢復(fù)電路中的鎖相環(huán)能否去除低頻抖動3）能夠正確識別出帶有多大抖動的數(shù)據(jù)，即抖動容限不像發(fā)送端可以直接測量被測件（Device Under Test，DUT ）輸出的信號，信號進(jìn)入接收機內(nèi)部后無法直接觀測，一般使用儀器產(chǎn)生一定樣本量、一定特征的激勵數(shù)據(jù)流給DUT 。這些特征一般是多種形

4、式的“干擾”，儀器通過施加不同程度的“干擾”，測試接收機的表現(xiàn)。這種儀器一般是誤碼率測試儀（Bit Error Rate Tester，BERT ）。簡單的說，誤碼率測試就是發(fā)送已知數(shù)據(jù)給被測接收機芯片，通過量化被錯誤判決數(shù)據(jù)的比例來衡量接收機芯片的性能。在功能上，誤碼率測試儀包括數(shù)據(jù)發(fā)生（Pattern Gernerter）和錯誤檢測（Error Detetor）兩個部分，即前者產(chǎn)生激勵，后者檢測響應(yīng)。 圖 4 誤碼率測試儀工作原理框圖測試時，誤碼率測試儀和DUT 收發(fā)互連形成回環(huán)，如圖 5。Pattern Generator發(fā)出帶有“干擾”的信號給DUT 。DUT 將接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過內(nèi)部回

5、環(huán)又發(fā)送回給誤碼率測試儀。一般經(jīng)過DUT 內(nèi)部的檢測和時鐘域變換，發(fā)送回去的數(shù)據(jù)不再帶有“干擾”。 圖 5 誤碼率測試儀與DUT 回環(huán)連接DUT 一般有兩種回環(huán)模式：1）外部BERT （或稱Retimed Loopback） 圖 6 外部BERT 測試框圖DUT 將RX 端收到的BERT 數(shù)據(jù)從TX 端發(fā)送回去，由BERT 對比發(fā)送和接收到的數(shù)據(jù)2）內(nèi)部BERT 圖 7 內(nèi)部BERT 測試框圖DUT 直接對接收到的BERT 數(shù)據(jù)進(jìn)行誤碼判斷，并把誤碼率測試結(jié)果保存在DUT 寄存器里。BERT 通過讀取誤碼寄存器得到誤碼率測試結(jié)果。如前文所述，誤碼率測試儀能夠在激勵信號中注入一定程度的“干擾”，

6、并且“干擾”的特征參數(shù)可以定量調(diào)節(jié)，這些“干擾”包括：1）信號幅度信號從發(fā)送器輸出，經(jīng)過信道到達(dá)接收端，幅度可能衰減以至于接收機無法識別。因此誤碼率測試儀通過逐步降低激勵信號幅度，直到接收機芯片無法正確檢測出數(shù)據(jù)，從而獲得被測芯片的接收靈敏度。下圖是一個典型的測試結(jié)果圖，橫坐標(biāo)是激勵信號的差模幅度，縱坐標(biāo)代表共模偏置程度。綠色點表示接收機芯片能正常識別出該點代表的差模共模幅度，紅叉則表示不能正常接收。這樣能得一幅直觀的接收機靈敏度圖。 圖 8 接收靈敏度測試結(jié)果圖2）預(yù)加重(Pre-Emphasis高速串行信號普遍運用預(yù)加重技術(shù)來補償信道對信號高頻分量的衰減。通過調(diào)節(jié)激勵信號預(yù)加重程度可以補償

7、測試夾具、電纜的影響，確保信號達(dá)到接收端后的幅度符合預(yù)期。下圖是一個預(yù)加重信號的眼圖。 圖 9 預(yù)加重后的信號眼圖3）抖動接收機芯片中的時鐘恢復(fù)電路運用鎖相環(huán)來跟蹤數(shù)據(jù)的跳變沿，其頻響是一個低通濾波器。當(dāng)串行數(shù)據(jù)信號的抖動變化頻率較低時，處于直流到鎖相環(huán)截至頻率范圍以內(nèi)，鎖相環(huán)就能及時追蹤到數(shù)據(jù)跳變沿（即鎖住相位），輸出的時鐘與輸入數(shù)據(jù)同相（嚴(yán)格講相位差為固定常數(shù)），這樣抖動為零。當(dāng)連續(xù)邊沿的抖動變化太快時（即存在高頻抖動時），鎖相環(huán)不能及時追蹤到邊沿的變化，于是輸出的時鐘和數(shù)據(jù)邊沿存在抖動。誤碼率測試儀可以輸出含有定量正弦抖動（即周期抖動）和隨機抖動的數(shù)據(jù)，從而評估接收機芯片的抖動容限。圖

8、10 含有周期抖動的激勵信號眼圖 圖 11 是一個抖動容限測試結(jié)果圖，橫坐標(biāo)表示抖動的頻率，縱坐標(biāo)表示抖動的值。綠 色點表示在相應(yīng)抖動激勵下，接收機的誤碼率測試可以通過（例如小于 10-12） ，紅叉表示不 能通過。圖中一條黑色的曲線是 USB3.0 規(guī)范要求的抖動容限曲線。測試后，通過檢查曲線 下方是否有測試不通過點來判斷接收機特性是否符合標(biāo)準(zhǔn)。 圖 11 抖動容限測試結(jié)果圖 4）時鐘擴頻（Spread Spectrum Clocking，SSC） 時鐘擴頻是用一個低頻信號去調(diào)制時鐘。 在頻譜上， 時鐘單一的譜線在調(diào)制后變?yōu)樵谝?定范圍內(nèi)分布，從而降低頻譜峰值水平。這是一種減小輻射發(fā)射峰值的

9、方法。目前高速串行 標(biāo)準(zhǔn)一般都要求支持時鐘擴頻， 因此測試接收機能否識別出帶有擴頻的數(shù)據(jù)也是重要的測試 內(nèi)容。 3.力科接收機測試方案-PeRT3 PeRT3 是 Protocol-enabled Receiver and Transmitter Tolerance Tester 的簡寫，即具備協(xié)議 使能的接收機和發(fā)送器容限測試儀。包含 Eagle 和 Phoenix 兩個系列，外觀如下圖： 圖 12 力科 PeRT3 PeRT3 首先具備了 BERT 的 Pattern Generator 和 Error Detector 功能， 可以對激勵數(shù)據(jù)注 入前文所提到的各種“干擾” ，其次還具備業(yè)

10、界其他 BERT 所不具有的功能： 1 支持 USB3.0， Express， PCI SATA， 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的接收機一致性測試。 SAS 目前是 SuperSpeed USB （USB3.0）Platform Interoperability Lab 采用和推薦的測試方案。 能夠自動完成協(xié)議握手和 DUT 的初始化。 能夠自動控制 DUT 進(jìn)入或退出回環(huán)模式。 如果沒有這項功能， 測試人員只能通過對 DUT 相關(guān)寄存器進(jìn)行編程的方法使其進(jìn)入特定狀態(tài)，操作不方便。 2 3 1） USB3.0 收發(fā)器為補償發(fā)送和接收時鐘的頻率偏差，會在發(fā)送出去的碼流中加入一些 SKP 符號。這樣 BERT 的 Error Detector 將會收到測試碼和多余的 SKP 符號。傳統(tǒng)的 BERT 會 誤認(rèn)為測量到了誤碼。而力科 PeRT3 可以智能地添加和刪除 SKP 后，再來計算是否有誤 碼。 2） 支持 PCI Express Gen3 動態(tài)均衡（Dynamic Equalization）測試 3） 除了可以測量誤比特率，還可以測量誤幀率（Frame Error Rate） ，識別和記錄協(xié)議層的 錯誤。 如果配合示波器使用， PeRT3 能夠完成發(fā)送器和接收機的全面測試， 芯片設(shè)計者憑借這 些測試驗證工具，可對其高速收發(fā)器的設(shè)計充滿信心。 參考文獻(xiàn) 1 David Li . Receiv