- 高速串行信號測試中的虛擬探測和均衡技術(shù)
- 使用Eye Doctor進(jìn)行高速信號測試
- 在測試儀器內(nèi)嵌入均衡技術(shù)來復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)的真實(shí)性能
【摘要】在高于2.5G比特率的串行數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，信號經(jīng)過PCB長距離傳輸線、連接器、過孔，到達(dá)接收芯片引腳的測試點(diǎn)時，信號已經(jīng)嚴(yán)重衰減，即使示波器與差分探頭的測試系統(tǒng)帶寬足夠高，很多測量結(jié)果基本沒有意義——因?yàn)檠蹐D已經(jīng)閉合。而往往SERDES接收芯片內(nèi)部集成了均衡器，以補(bǔ)償接收端信號的過大衰減，而信號經(jīng)過均衡器處理后的眼圖張開度又如何？這成為高速信號測量的前沿且核心的問題。在示波器內(nèi)部集成均衡器，讓客戶訂制濾波功能來仿真接收芯片的均衡特性，同時結(jié)合虛擬探測技術(shù)——顯然期望的測試點(diǎn)是在接收芯片內(nèi)部，探針無法觸及——是目前高速測試的解決方案之一。本文是中興通訊EDA高速實(shí)驗(yàn)室以三大示波器廠商之一的LeCroy示波器為例，簡單介紹高速串行信號測試中的虛擬探測和均衡技術(shù)。
【關(guān)鍵詞】高速串行信號，LeCroy示波器，虛擬探測，均衡技術(shù)，Eye Doctor
1. 引言
在高速serdes系統(tǒng)中， PCB的長距離傳輸線、連接器、過孔的阻抗不連續(xù)等因素對信號造成很大衰耗，比如6.25Gb/s的信號在FR4上走25英寸或者更遠(yuǎn)之后的眼圖已經(jīng)無法張開，為了解決這種衰耗問題，往往有兩種方法，一種是在發(fā)射端使用預(yù)加重技術(shù)，一種是在接收端使用均衡技術(shù)。
由于在SERDES接收芯片內(nèi)部集成了均衡器，以補(bǔ)償信號的過大衰減，但是測試時，直接測量接收端的信號基本沒有意義，因?yàn)檫@根本無法代表接收信號的真實(shí)性能。在示波器內(nèi)部集成濾波器，讓客戶訂制濾波功能來仿真接收芯片的均衡特性，是目前高速測試的解決方案之一。
中興通訊EDA高速實(shí)驗(yàn)室作為公司的高速測試平臺，解決過E1業(yè)務(wù)板、以太網(wǎng)口、千兆光口、高速互聯(lián)系統(tǒng)等眾多問題，對均衡測試等前沿技術(shù)也進(jìn)行了研究，本實(shí)驗(yàn)室將以LeCroy的SDA6000A（帶寬6GHz，20GS/s）為例，介紹最新的高速串行信號虛擬探測和均衡技術(shù)。SDA6000A的虛擬探測和均衡分析工具叫Eye Doctor，它是一個集成在LeCroy示波器內(nèi)部的功能強(qiáng)大的軟件包。
2. 使用Eye Doctor進(jìn)行高速信號測試
一、Eye Doctor功能介紹
虛擬探測：
- 允許在系統(tǒng)的任何一個比較方便位置測試，然后反映出其他位置的波形。這些位置包括測試系統(tǒng)中不能探測的位置，比如芯片內(nèi)部。
- 可以提高測試精度：把儀器、探頭、夾具帶來的影響去掉；在信號最強(qiáng)的地方（通常是發(fā)射端）進(jìn)行測試，然后推算出信號較弱地方的波形，而在發(fā)送端測試有更高的信噪比，比直接在接收端測試效果更好。
- 使用通用的S參數(shù)作為模擬器的語言（S參數(shù)可以用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀或者仿真建模軟件提?。?。
高速串行芯片往往嵌入了接收均衡器，通過示波器的均衡模擬技術(shù)復(fù)現(xiàn)信號，可以反映出系統(tǒng)的真實(shí)性能。
二、原理
1、 虛擬探測
圖1 虛擬探測原理
2、 接收均衡器
在高速數(shù)據(jù)傳輸中，為防止信號失真，通常有兩種方法：一種是發(fā)射端采用預(yù)加重（Pre-emphasis），另一種是在接收端使用均衡技術(shù)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)
- 預(yù)加重Pre-emphasis：為抵消傳輸通道的衰減，預(yù)加重通過加重任何信號變化后的第一個數(shù)據(jù)符號來對發(fā)射信號進(jìn)行預(yù)失真處理，從而消除信道中脈沖響應(yīng)的前沿過沖和后沿拖尾。
- 接收均衡器receive equalization：接收均衡器通過在接收端放大信號中的高頻分量來補(bǔ)償傳輸損耗，而低頻分量保持不變，讓信號眼圖張得最開。是預(yù)加重的一種替代或互補(bǔ)方案。
- 判決反饋均衡器Decision feedback equalization (DFE)：根據(jù)解碼數(shù)據(jù)改變信號的幅度，一個經(jīng)典的判決反饋均衡器的結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 判決反饋均衡器的結(jié)構(gòu)
Eye Doctor的作用圖4所示：
圖4 Eye Doctor的應(yīng)用例子
三、應(yīng)用實(shí)例：
下面以中興通訊EDA高速實(shí)驗(yàn)室的一個實(shí)際應(yīng)用案例來說明Eye Doctor的應(yīng)用。對圖5所示的一個高速背板互聯(lián)系統(tǒng)進(jìn)行測試，信號經(jīng)過連接器和背板，走線長度約為40In。
圖5 高速互聯(lián)系統(tǒng)
1、發(fā)送端信號波形和眼圖信號波形（圖6）：
圖6 發(fā)送端信號波形
眼圖質(zhì)量很好，如圖7示：
圖7 發(fā)送端眼圖
2、接收端信號波形和眼圖信號經(jīng)過背板和連接器，到達(dá)接收端，信號變差，眼圖變小，如圖8、圖9所示。如果不使用均衡技術(shù)，系統(tǒng)很容易出現(xiàn)誤碼，因此在高速接收芯片內(nèi)部通常需要嵌入均衡器。
圖8 接收端信號波形
圖9 接收端眼圖
下面我們來看看用eye doctor虛擬探測得到的接收端波形，在探測過程中，需要把傳輸網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)輸入到虛擬探測器件里面（圖10）。該S參數(shù)EDA高速實(shí)驗(yàn)室使用網(wǎng)絡(luò)分析儀加輔助子卡測試得到，如果實(shí)際應(yīng)用時S參數(shù)不容易得到，也可以通過一些仿真軟件提取，EDA高速實(shí)驗(yàn)室通常會使用SIwave、HFSS來提取S參數(shù)。
圖10 使用eye doctor進(jìn)行虛擬探測
把虛擬探測波形和實(shí)際測試波形進(jìn)行比較如下，可見吻合的相當(dāng)?shù)暮茫▓D11），虛擬探測可以作為測試的重要輔助手段。
圖11 虛擬探測Vs實(shí)測波形：黃色為探測波形，青色為實(shí)測波形
4、均衡模擬器把經(jīng)過背板的已衰減信號加到示波器的均衡模擬器上，查看經(jīng)過均衡的信號眼圖。根據(jù)接收芯片實(shí)際情況，我們把FFE和DFE的抽頭數(shù)分別設(shè)為3和1，點(diǎn)擊Train，對均衡器進(jìn)行訓(xùn)練（圖12），就得到了均衡后的信號，其眼圖如圖13所示。
圖12 均衡器的設(shè)置
圖13 經(jīng)過均衡的接收端眼圖
對比圖9可見，眼圖質(zhì)量大大提升，這代表了系統(tǒng)的真實(shí)性能，在測試儀器內(nèi)嵌入均衡技術(shù)已經(jīng)成為高速測試的解決方案之一。注：眼圖顯示時看到波形切斷現(xiàn)象的解釋：
均衡算法時會對采樣點(diǎn)進(jìn)行幅度的提升，使均衡后的波形與理想的波形（下圖中的decode的波形）相減后得到的差值最小。對于高頻的碼，為了補(bǔ)償其衰減，均衡后的波形可能在上升或下降沿出現(xiàn)比較高的類似于過沖的波形，眼圖顯示時可能會看到切斷的波形。
在本例中，中興通訊EDA高速實(shí)驗(yàn)室通過使用虛擬探測和均衡技術(shù)解決了高速串行信號的測試問題。在高速數(shù)據(jù)傳輸中，往往采用均衡處理技術(shù)來擴(kuò)展信號的傳輸距離，直接測量接收端的信號基本沒有意義，因?yàn)檫@根本無法代表接收信號的真實(shí)性能。在測試儀器內(nèi)嵌入均衡技術(shù)來復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)的真實(shí)性能，已經(jīng)成為高速測試的重要解決方案。
Eye Doctor是LeCroy高端示波器的一個軟件包，它包含兩個功能：虛擬探測，均衡模擬。這是高速串行數(shù)據(jù)測試中非常重要的功能，有時候是必需的。
虛擬探測是高速測試中的一個新方法，可以做得相當(dāng)準(zhǔn)確，但需要系統(tǒng)的S參數(shù)，這并不容易得到，可以通過一些仿真軟件提取。
參考資料
1. （美） LeCroy Corporation，Eye Doctor Operator''''s Manual，2007年1月
2. （美） Leo Wong， Rambus公司，如何解決高速背板的信號完整性問題，2006
