信號(hào)完整性分析基礎(chǔ)系列之十九――高速串行信號(hào)接收機(jī)測(cè)試

1、1.背景網(wǎng)絡(luò)、多媒體、移動(dòng)通信對(duì)提高數(shù)據(jù)吞吐率的需求與日俱增，推動(dòng)計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)不斷突破速度極限。圖 1是當(dāng)前主流計(jì)算機(jī)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(duì)信號(hào)質(zhì)量的影響越嚴(yán)重，在時(shí)域上表現(xiàn)為：邊沿變緩，碼間干擾加劇，抖動(dòng)增加。通常使用眼圖來(lái)評(píng)估高速信號(hào)質(zhì)量。下圖是三種速率的信號(hào)在發(fā)送端和接收端分別測(cè)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(cè)出受損的信號(hào)，是高速收發(fā)器芯片設(shè)計(jì)者面臨的挑戰(zhàn)。 圖 2 不同速率信號(hào)的失真程度在以往的高速串行信號(hào)一致性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)里，一般都要求測(cè)試發(fā)送端性能，比如輸出

2、電壓擺幅、上升時(shí)間、抖動(dòng)、眼圖等。隨著速率提高，僅僅測(cè)試信號(hào)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(duì)接收機(jī)性能也進(jìn)行測(cè)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(jī)測(cè)試。2.接收機(jī)測(cè)試原理在發(fā)送器測(cè)試中，通常利用示波器直接測(cè)量輸出信號(hào)的幅度、上升/下降時(shí)間、眼圖和抖動(dòng)，從而評(píng)估發(fā)送器的驅(qū)動(dòng)能力、預(yù)加重、參考時(shí)鐘穩(wěn)定性等各項(xiàng)性能。在接收端，典型的接收機(jī)芯片框圖如下： 圖 3 典型接收機(jī)內(nèi)部框圖它包含信號(hào)檢測(cè)（放大，均衡）基于鎖相環(huán)（PLL）的時(shí)鐘恢復(fù)判決電路（并轉(zhuǎn)串，線路碼解碼）對(duì)接收機(jī)性能的測(cè)試實(shí)際就是對(duì)以上三個(gè)主要部件

3、的性能測(cè)試：1）可以識(shí)別出多小幅度的信號(hào)，即接收靈敏度2）時(shí)鐘恢復(fù)電路中的鎖相環(huán)能否去除低頻抖動(dòng)3）能夠正確識(shí)別出帶有多大抖動(dòng)的數(shù)據(jù)，即抖動(dòng)容限 不像發(fā)送端可以直接測(cè)量被測(cè)件（Device Under Test，DUT）輸出的信號(hào)，信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)內(nèi)部后無(wú)法直接觀測(cè)，一般使用儀器產(chǎn)生一定樣本量、一定特征的激勵(lì)數(shù)據(jù)流給DUT。這些特征一般是多種形式的“干擾”，儀器通過(guò)施加不同程度的“干擾”，測(cè)試接收機(jī)的表現(xiàn)。這種儀器一般是誤碼率測(cè)試儀（Bit Error Rate Tester，BERT）。簡(jiǎn)單的說(shuō)，誤碼率測(cè)試就是發(fā)送已知數(shù)據(jù)給被測(cè)接收機(jī)芯片，通過(guò)量化被錯(cuò)誤判決數(shù)據(jù)的比例來(lái)衡量接收機(jī)芯片

4、的性能。在功能上，誤碼率測(cè)試儀包括數(shù)據(jù)發(fā)生（Pattern Gernerter）和錯(cuò)誤檢測(cè)（Error Detetor）兩個(gè)部分，即前者產(chǎn)生激勵(lì)，后者檢測(cè)響應(yīng)。 圖 4 誤碼率測(cè)試儀工作原理框圖測(cè)試時(shí)，誤碼率測(cè)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(hào)給DUT。DUT將接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)內(nèi)部回環(huán)又發(fā)送回給誤碼率測(cè)試儀。一般經(jīng)過(guò)DUT內(nèi)部的檢測(cè)和時(shí)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(cè)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BER

5、T測(cè)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(duì)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(cè)試框圖  DUT直接對(duì)接收到的BERT數(shù)據(jù)進(jìn)行誤碼判斷，并把誤碼率測(cè)試結(jié)果保存在DUT寄存器里。BERT通過(guò)讀取誤碼寄存器得到誤碼率測(cè)試結(jié)果。 如前文所述，誤碼率測(cè)試儀能夠在激勵(lì)信號(hào)中注入一定程度的“干擾”，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(hào)幅度信號(hào)從發(fā)送器輸出，經(jīng)過(guò)信道到達(dá)接收端，幅度可能衰減以至于接收機(jī)無(wú)法識(shí)別。因此誤碼率測(cè)試儀通過(guò)逐步降低激勵(lì)信號(hào)幅度，直到接收機(jī)芯片無(wú)

6、法正確檢測(cè)出數(shù)據(jù)，從而獲得被測(cè)芯片的接收靈敏度。下圖是一個(gè)典型的測(cè)試結(jié)果圖，橫坐標(biāo)是激勵(lì)信號(hào)的差模幅度，縱坐標(biāo)代表共模偏置程度。綠色點(diǎn)表示接收機(jī)芯片能正常識(shí)別出該點(diǎn)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(jī)靈敏度圖。圖 8 接收靈敏度測(cè)試結(jié)果圖 2）預(yù)加重(Pre-Emphasis高速串行信號(hào)普遍運(yùn)用預(yù)加重技術(shù)來(lái)補(bǔ)償信道對(duì)信號(hào)高頻分量的衰減。通過(guò)調(diào)節(jié)激勵(lì)信號(hào)預(yù)加重程度可以補(bǔ)償測(cè)試夾具、電纜的影響，確保信號(hào)達(dá)到接收端后的幅度符合預(yù)期。下圖是一個(gè)預(yù)加重信號(hào)的眼圖。圖 9 預(yù)加重后的信號(hào)眼圖 3）抖動(dòng)接收機(jī)芯片中的時(shí)鐘恢復(fù)電路運(yùn)用鎖相環(huán)來(lái)跟蹤數(shù)據(jù)的跳變沿

7、，其頻響是一個(gè)低通濾波器。當(dāng)串行數(shù)據(jù)信號(hào)的抖動(dòng)變化頻率較低時(shí)，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(shí)追蹤到數(shù)據(jù)跳變沿（即鎖住相位），輸出的時(shí)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(dòng)為零。當(dāng)連續(xù)邊沿的抖動(dòng)變化太快時(shí)（即存在高頻抖動(dòng)時(shí)），鎖相環(huán)不能及時(shí)追蹤到邊沿的變化，于是輸出的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)邊沿存在抖動(dòng)。誤碼率測(cè)試儀可以輸出含有定量正弦抖動(dòng)（即周期抖動(dòng)）和隨機(jī)抖動(dòng)的數(shù)據(jù)，從而評(píng)估接收機(jī)芯片的抖動(dòng)容限。圖 10 含有周期抖動(dòng)的激勵(lì)信號(hào)眼圖圖 11是一個(gè)抖動(dòng)容限測(cè)試結(jié)果圖，橫坐標(biāo)表示抖動(dòng)的頻率，縱坐標(biāo)表示抖動(dòng)的值。綠色點(diǎn)表示在相應(yīng)抖動(dòng)激勵(lì)下，接收機(jī)的誤碼率測(cè)試可以通過(guò)（例如小于10

8、-12），紅叉表示不能通過(guò)。圖中一條黑色的曲線是USB3.0規(guī)范要求的抖動(dòng)容限曲線。測(cè)試后，通過(guò)檢查曲線下方是否有測(cè)試不通過(guò)點(diǎn)來(lái)判斷接收機(jī)特性是否符合標(biāo)準(zhǔn)。圖 11 抖動(dòng)容限測(cè)試結(jié)果圖 4）時(shí)鐘擴(kuò)頻（Spread Spectrum Clocking，SSC）時(shí)鐘擴(kuò)頻是用一個(gè)低頻信號(hào)去調(diào)制時(shí)鐘。在頻譜上，時(shí)鐘單一的譜線在調(diào)制后變?yōu)樵谝欢ǚ秶鷥?nèi)分布，從而降低頻譜峰值水平。這是一種減小輻射發(fā)射峰值的方法。目前高速串行標(biāo)準(zhǔn)一般都要求支持時(shí)鐘擴(kuò)頻，因此測(cè)試接收機(jī)能否識(shí)別出帶有擴(kuò)頻的數(shù)據(jù)也是重要的測(cè)試內(nèi)容。  3.力科接收機(jī)測(cè)試方案-PeRT3PeRT3是Protocol-e

9、nabled Receiver and Transmitter Tolerance Tester的簡(jiǎn)寫(xiě)，即具備協(xié)議使能的接收機(jī)和發(fā)送器容限測(cè)試儀。包含Eagle和Phoenix兩個(gè)系列，外觀如下圖：  圖 12 力科PeRT3PeRT3首先具備了BERT的Pattern Generator和Error Detector功能，可以對(duì)激勵(lì)數(shù)據(jù)注入前文所提到的各種“干擾”，其次還具備業(yè)界其他BERT所不具有的功能： 1         支持USB3.0，PCI Express，SATA，SA

10、S標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的接收機(jī)一致性測(cè)試。目前是SuperSpeed USB （USB3.0）Platform Interoperability Lab采用和推薦的測(cè)試方案。 2         能夠自動(dòng)完成協(xié)議握手和DUT的初始化。 3         能夠自動(dòng)控制DUT進(jìn)入或退出回環(huán)模式。如果沒(méi)有這項(xiàng)功能，測(cè)試人員只能通過(guò)對(duì)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。 1）  USB3.0收發(fā)器為補(bǔ)償發(fā)送和接收時(shí)鐘的頻率偏差，會(huì)在發(fā)送出去的碼流中加入一些SKP符號(hào)。這樣BERT的Error Detector將會(huì)收到測(cè)試碼和多余的SKP符號(hào)。傳統(tǒng)的BERT會(huì)誤認(rèn)為測(cè)量到了誤碼。而力科PeRT3可以智能地添加和刪除SKP后，再來(lái)計(jì)算是否有誤碼。 2）  支持PCI Express Gen3動(dòng)態(tài)均衡（Dynamic Equalization）測(cè)試 3）  除了可以測(cè)量誤比特率，還可以測(cè)量誤幀率（Frame Error Rate），識(shí)別和記錄協(xié)議層的錯(cuò)誤。 如果配合示波器使用，PeRT3能夠