高速串行信号测试的关键挑战及完整方案

高速串行信号测试的关键挑战及完整方案目前计算机总线发展的趋势是由低速的并行总线向高速的串行总线发展，从图1所示的目前计算机总线结构拓扑图中可看出，所有的高速接口都实现了串行化。多核处理器之间核处理器与北桥间的HyperTransport，时钟速度已经到达2.6GHz。随着内存技术的发展，DDR3也将在计算机内存总线中得以广泛的应用，支持最高速率达到1600Mbps。北桥和各高速设备间的PCIE总线，随着GenII的标准即将推出，每组数据通道(lane)的数据率高达5Gbps。计算机的各个I/O结构目前也朝着串行化发展，10GbE、FC等都是典型的应用。就连传统的低速I/O，如IDE等，也将串行化作为技术的突破，SATA将硬盘和北桥的数据通信能力最高可提高到6Gbps。图1：计算机串行总线结构。这些高速串行技术的发展趋势，也让电子工程师们在测试方面遇到了许多挑战，包括：(1)越来越快的数据传输率，要求测试设备的模拟带宽也越来越宽，以至于能够捕获到信号高频分量；业内公认的带宽计算方法为串行数据的数据率乘以2.5，即为采集设备的模拟带宽。(2)在高采样率的同时，进行长时间的数据采集，以进行精确的抖动分析。(3)对PCB制版、走线设计进行精确的控制的测量。越快的上升沿使得传输线效应越来越明显，需要有相应的测试系统对PCB走线的性能精确的测量。(4)如何进行多总线混合系统时间相关、多域(数字域和模拟域)的联合测试。(5)如何快速定位系统异常、方便连接测试点、自动化完成测试内容等，也成为摆在工程师面前的一道难题，等等。下文将分别阐述在高速串行信号测试中的关键技术和挑战，以及解决这些关键问题的方法。信号互联层测试TDR(时域反射测定法)是PCB走线的特征阻抗是否符合或达到预计要求的最主要的测试方法(图2)，HT和DDR3的标准都严格定义了信号传输线阻抗值的范围。TDR是一个闭环的测试系统，系统发出快沿脉冲，激励被测走线，同时采集由于走线阻抗变化而对快沿的反射信号。快沿的上升时间时间决定了TDR的分辨率。对差分走线的阻抗测量，需要测试系统输出差分的快沿信号来进行TDR测试，以如实反应差分走线在差分信号的激励下出现的阻抗突变、串扰等一系列问题。图2：TDR测试原理示意图。目前业内流行的TDR测试方案是Tektronix的测试系统：DSA8200采样示波器配合80E04TDR测量模块。80E04是差分的TDR测试模块，上升时间为23ps；配合使用P80318差分阻抗测试探头，测量带宽可以达到18GHz。国内主要的主板供应商、PCB制造商以及电缆制造商都采用了Tektronix的TDR测试方案。TDR与VNA同时测量系统特性阻抗的设备，但TDR有VNA所无法取代的优势。使用简单、测试快捷是TDR最大的一个特点，而且每次测试前无需像VNA那样进行复杂的校准，也无需专用、昂贵的测试夹具。特别是对差分阻抗测试，VNA需要进行一个4端口的S参数测试，需要建立16个S参数的测量矩阵，而80E04仅需要一个差分探头即可完成。此外，80E04测试结果直观，能过精确定位阻抗突变的位置。在TDR测试数据的基础上，可以通过TektronixIConnect软件包进行对PCB走线或是信号互联系统的建模与仿真，输出模型为标准的SPICE模型，可以同各种EDA工具兼容。高速串行信号完整性测试高速串行系统设计的最终目的是在考虑到成本等多方面因素的前提下，让数据传输满足某种可以接受的误码率，因此，误码率测试是高速串行系统最核心的测试。但是从工程的角度分析，如果按照误码率的定义进行直接的误码测试的话，其可行性较低，成本较高，并且功能过于单一。Tektronix在几十年的高速数据传输测试系统研发过程中，发明并逐步完善了另外一种全新的误码测试方法。在信号发送端，从产生误码的原因入手，精确测量复合在信号中的抖动和噪声，根据业内认可的抖动、噪声分析方法，推算出最终系统的误码率。在信号接收端，模拟带有各种类型的噪声、抖动的信号，输入到接收端，然后测量是否满足对误码的冗余性能要求。DSA70000B系列串行信号分析仪是目前最流行的高速串行数据分析、测试系统。硬件指标在同类产品中具有很大优势。其性能指标见表1。20GHz带宽可以实现最高8Gbps串行信号的捕获，在50GS/s采样率下，配合200M的存储器，可以完成大数据量、长时间的连续样本的分析。项目DSA72004B说明示波器平台数字荧光示波器DSA72004示波器经历三代：第一代模拟示波器、第二代数字存储示波器、第三代数字荧光示波器DSP带宽20GHzDSP带宽增强功能有，可以选择开或者关很多关键测量(如激光脉冲、过驱动信号测试等)，要求示波器关闭DSP增强功能。上升时间33ps(10～90％)23ps(20～80％)采样率(每通道)50GS/s存储深度(每通道)标准配置每通道20M可选配每通道200M任何采样率可用业内最深的有效存储，200M数据可以全部运算、分析的高波形捕获率为电路调试提供了全球最快发现问题的工具。波形搜索和定位waveformseachandmark触发方式边沿、毛刺、过渡时间、窗口、欠幅脉冲、宽度、超时、码型、状态、建立/保持时间；通讯相关触发、串行触发完善的双触发泰克“Pinpoint”一词概括了触发系统可以隔离各个事件或其组合的精度。该系统不仅拥有杰出的定时指标，而且提供了强大的新功能，Pinpoint触发技术，可以判定1400多种可能的触发组合，提供了灵活的新型触发工具，帮助用户迅速找到难以捕捉的事件，或判定复杂的波形数据进行分析。和串行信号分析相关的触发模式标准配置串行触发和通信触发(硬件时钟恢复)DSA72004内建的高速硬件时钟恢复电路，是串行触发和通信触发的关键保证。抖动噪底450fs较小的指标表明在抖动测量上精度更高表1：DSA72004串行信号分析仪性能指标DPOJET软件是运行在DSA70000B示波器上的高速串行数据分析软件，能够进行抖动的测量分析，对抖动进行分离以及对误码率的估算(图3)。特别是对抖动的分离，可以指导设计人员定位抖动产生的原因和位置，为提高系统误码率性能发挥着重要的作用。：DPOJET进行抖动分析仪及误码测试。对于接收芯片误码冗余测试，Tektronix提供的解决方案是目前世界唯一的AWG7000B测试系统。AWG的工作方式很像一个D/A系统，信号的输出依赖于内存中的数据点以及D/A的采样率。真是基于这种方式，使得AWG具有传统信号模拟系统所不具备的优势。例如在接收芯片冗余度测试中，传统的方法为了模拟带压信号(人为加入的抖动、噪声的信号)，需要噪声源或抖动源提供干扰信号，需要数据源提供数据负荷，通常干扰源和数据源需要外部的功率耦合器来耦合在一起(图4)。：高速串行信号的合成。除了系统组成复杂之外，最后合成的信号还需要进行校准以保证信号产生的精度。抖动如果需要多种类型的话，例如除了正弦抖动外，还需要增加ISI(码间干扰)抖动，以上述的方式是基本无法实现的，因为这些抖动无法使用调制的方式增加到信号中去。Product产品AWG7122BAWG7121BAWG7062BAWG7061BMaxSampleRate最大采样率12GS/s(24GS/s-interleaved频域间插)12GS/s6GS/sDACResolutionDAC分辨率Mode1:8bit(2digitalout/ch(markers)Mode2:10bit(nodigitalout(markers)模式1：8位(2位数字输出/ch)(标记)Mode2：10位(无数字输出)(标记)MaximumMemoryLength最大存储长度32M/64M/ch(option可选)x4points点(doubleatinterleave,x8频域间插，x8)32M/64M/ch(option可选)x4points点Analogoutput模拟输出1(upto24GS/s)2(upto12GS/s)1(至24GS/s)2(至24GS/s)121(20-80)(Typical)升/降(典型)Standard:normal(350ps),directout(75ps):HighBandwidthoption(35ps)标准：正常(350ps)，直接输出(75ps)：高带宽选择(35ps)Bandwidth:带宽(Typical典型)calculatedfromTr/Tf计算自Tr/TFStandard:normal(0.75GHz),directout(3.5GHz):HighBandwidthoption(7.5GHz)标准：正常(0.75GHz)，直接输出(3.5GHz)：高带宽选择(7.5GHz)表2：AWG7000B任意波形发生器性能指标。AWG7000B最高采样率高达24GS/s，输出带宽9.6GHz，配合串行数据生成软件SerialXpress，可以生成任意类型的带压信号(图5)。SerialXpress内置校准模块，通过对AWG自校准数据对带压信号进行校准，达到输出信号精度要求。其中AW7122B是双通道输出，每个通道伴有两个数字输出，对于一些系统测试要求在相邻通道上注入串扰信号，可以使用AWG的数字输出来实现。表2列出了AWG7000B的性能指标。：AWG7000B和高数数据生成软件SerialXpressAWG还能够和示波器等采集设备的得到的数据兼容，将这些设备采集到的信号在AWG上重现出来。用以和示波器组成闭环的测试系统。系统联合调试与协议分析在完成对系统高速数传接口的物理层验证后，还需要进行逻辑、协议层性能的测试。通常的解决方案是使用逻辑分析仪，采集总线数据，观测信号时序，进行总线解码等。Tektronix今年上半年推出的性能卓越的TLA7BB4系列逻辑分析仪，几乎垄断了芯片级逻辑层、协议层的测试。超高速的50GS/s异步采样率，可以帮助工程师准确的分析系统中存在的时序问题；高达1.4GHz状态分析时钟对逻辑分析仪来说更重要的指标，表明了逻辑仪是否能够准确的跟踪到外部时钟频率；灵活的通道复用形式，更好的来模拟实际系统对信号接收的方式。在Tektronix的逻辑分析仪中，可以配合各种总线探测夹具(图6)，例如DDR3-1333等，可以完成完整的协议测试。实时捕获DDR3总线数据，提供触发能力以及数据解码功能。图6：DDR3分析软件以及夹具(信号内插器)。对于通常的高速串行信号的探测，Tektronix建议您采用直接探测的方法，即在设计阶段，为测试预留出探测点，在PCB上做好探头的链接盘，在测试时候将探头直接和信号线接触。从测试角度出发，这种反方的信号保真度是最好的，对系统信号的影响是最小的。Tektronix提供业内带优秀的探测系统，包括P69xx系列的探头系统(图7)，保证探头的输出电容指标在0.5pF以内。探头前端采用CLGA的封装形式，即保证了电气性能的要求，有具有优良的机械结构。：P69xx系列探头前端在高速数据系统中，单纯的观测信号的逻辑、协议是远远不够的。因为在逻辑、协议层面上，很难找到故障的原因。特别是一些有信号完整性引起的逻辑错误。Tek