- 高速串行信號(hào)測(cè)試中的虛擬探測(cè)和均衡技術(shù)
- 使用Eye Doctor進(jìn)行高速信號(hào)測(cè)試
- 在測(cè)試儀器內(nèi)嵌入均衡技術(shù)來(lái)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(hào)經(jīng)過(guò)PCB長(zhǎng)距離傳輸線、連接器、過(guò)孔，到達(dá)接收芯片引腳的測(cè)試點(diǎn)時(shí)，信號(hào)已經(jīng)嚴(yán)重衰減，即使示波器與差分探頭的測(cè)試系統(tǒng)帶寬足夠高，很多測(cè)量結(jié)果基本沒(méi)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(hào)的過(guò)大衰減，而信號(hào)經(jīng)過(guò)均衡器處理后的眼圖張開(kāi)度又如何？這成為高速信號(hào)測(cè)量的前沿且核心的問(wèn)題。在示波器內(nèi)部集成均衡器，讓客戶(hù)訂制濾波功能來(lái)仿真接收芯片的均衡特性，同時(shí)結(jié)合虛擬探測(cè)技術(shù)——顯然期望的測(cè)試點(diǎn)是在接收芯片內(nèi)部，探針無(wú)法觸及——是目前高速測(cè)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(jiǎn)單介紹高速串行信號(hào)測(cè)試中的虛擬探測(cè)和均衡技術(shù)。
【關(guān)鍵詞】高速串行信號(hào)，LeCroy示波器，虛擬探測(cè)，均衡技術(shù)，Eye Doctor
1. 引言
在高速serdes系統(tǒng)中， PCB的長(zhǎng)距離傳輸線、連接器、過(guò)孔的阻抗不連續(xù)等因素對(duì)信號(hào)造成很大衰耗，比如6.25Gb/s的信號(hào)在FR4上走25英寸或者更遠(yuǎn)之后的眼圖已經(jīng)無(wú)法張開(kāi)，為了解決這種衰耗問(wèn)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(hào)的過(guò)大衰減，但是測(cè)試時(shí)，直接測(cè)量接收端的信號(hào)基本沒(méi)有意義，因?yàn)檫@根本無(wú)法代表接收信號(hào)的真實(shí)性能。在示波器內(nèi)部集成濾波器，讓客戶(hù)訂制濾波功能來(lái)仿真接收芯片的均衡特性，是目前高速測(cè)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(cè)試平臺(tái)，解決過(guò)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(wèn)題，對(duì)均衡測(cè)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(hào)虛擬探測(cè)和均衡技術(shù)。SDA6000A的虛擬探測(cè)和均衡分析工具叫Eye Doctor，它是一個(gè)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(hào)測(cè)試
一、Eye Doctor功能介紹
虛擬探測(cè)：
- 允許在系統(tǒng)的任何一個(gè)比較方便位置測(cè)試，然后反映出其他位置的波形。這些位置包括測(cè)試系統(tǒng)中不能探測(cè)的位置，比如芯片內(nèi)部。
- 可以提高測(cè)試精度：把儀器、探頭、夾具帶來(lái)的影響去掉；在信號(hào)最強(qiáng)的地方（通常是發(fā)射端）進(jìn)行測(cè)試，然后推算出信號(hào)較弱地方的波形，而在發(fā)送端測(cè)試有更高的信噪比，比直接在接收端測(cè)試效果更好。
- 使用通用的S參數(shù)作為模擬器的語(yǔ)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取）。
高速串行芯片往往嵌入了接收均衡器，通過(guò)示波器的均衡模擬技術(shù)復(fù)現(xiàn)信號(hào)，可以反映出系統(tǒng)的真實(shí)性能。
二、原理
1、 虛擬探測(cè)
圖1 虛擬探測(cè)原理
2、 接收均衡器
在高速數(shù)據(jù)傳輸中，為防止信號(hào)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(guò)加重任何信號(hào)變化后的第一個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)來(lái)對(duì)發(fā)射信號(hào)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(guò)沖和后沿拖尾。
- 接收均衡器receive equalization：接收均衡器通過(guò)在接收端放大信號(hào)中的高頻分量來(lái)補(bǔ)償傳輸損耗，而低頻分量保持不變，讓信號(hào)眼圖張得最開(kāi)。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(hào)的幅度，一個(gè)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(gè)實(shí)際應(yīng)用案例來(lái)說(shuō)明Eye Doctor的應(yīng)用。對(duì)圖5所示的一個(gè)高速背板互聯(lián)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，信號(hào)經(jīng)過(guò)連接器和背板，走線長(zhǎng)度約為40In。
圖5 高速互聯(lián)系統(tǒng)
1、發(fā)送端信號(hào)波形和眼圖信號(hào)波形（圖6）：
圖6 發(fā)送端信號(hào)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(hào)波形和眼圖信號(hào)經(jīng)過(guò)背板和連接器，到達(dá)接收端，信號(hào)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(hào)波形
圖9 接收端眼圖
下面我們來(lái)看看用eye doctor虛擬探測(cè)得到的接收端波形，在探測(cè)過(guò)程中，需要把傳輸網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)輸入到虛擬探測(cè)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(cè)試得到，如果實(shí)際應(yīng)用時(shí)S參數(shù)不容易得到，也可以通過(guò)一些仿真軟件提取，EDA高速實(shí)驗(yàn)室通常會(huì)使用SIwave、HFSS來(lái)提取S參數(shù)。
圖10 使用eye doctor進(jìn)行虛擬探測(cè)
把虛擬探測(cè)波形和實(shí)際測(cè)試波形進(jìn)行比較如下，可見(jiàn)吻合的相當(dāng)?shù)暮茫▓D11），虛擬探測(cè)可以作為測(cè)試的重要輔助手段。
圖11 虛擬探測(cè)Vs實(shí)測(cè)波形：黃色為探測(cè)波形，青色為實(shí)測(cè)波形
4、均衡模擬器把經(jīng)過(guò)背板的已衰減信號(hào)加到示波器的均衡模擬器上，查看經(jīng)過(guò)均衡的信號(hào)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(duì)均衡器進(jìn)行訓(xùn)練（圖12），就得到了均衡后的信號(hào)，其眼圖如圖13所示。
圖12 均衡器的設(shè)置
圖13 經(jīng)過(guò)均衡的接收端眼圖
對(duì)比圖9可見(jiàn)，眼圖質(zhì)量大大提升，這代表了系統(tǒng)的真實(shí)性能，在測(cè)試儀器內(nèi)嵌入均衡技術(shù)已經(jīng)成為高速測(cè)試的解決方案之一。注：眼圖顯示時(shí)看到波形切斷現(xiàn)象的解釋?zhuān)?br /> 均衡算法時(shí)會(huì)對(duì)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(duì)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(lèi)似于過(guò)沖的波形，眼圖顯示時(shí)可能會(huì)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(guò)使用虛擬探測(cè)和均衡技術(shù)解決了高速串行信號(hào)的測(cè)試問(wèn)題。在高速數(shù)據(jù)傳輸中，往往采用均衡處理技術(shù)來(lái)擴(kuò)展信號(hào)的傳輸距離，直接測(cè)量接收端的信號(hào)基本沒(méi)有意義，因?yàn)檫@根本無(wú)法代表接收信號(hào)的真實(shí)性能。在測(cè)試儀器內(nèi)嵌入均衡技術(shù)來(lái)復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)的真實(shí)性能，已經(jīng)成為高速測(cè)試的重要解決方案。
Eye Doctor是LeCroy高端示波器的一個(gè)軟件包，它包含兩個(gè)功能：虛擬探測(cè)，均衡模擬。這是高速串行數(shù)據(jù)測(cè)試中非常重要的功能，有時(shí)候是必需的。
虛擬探測(cè)是高速測(cè)試中的一個(gè)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(guò)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(hào)完整性問(wèn)題，2006
