胡為東系列文章之三--高速串行信號(hào)的接收端測(cè)試
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時(shí)間：2017-01-12
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圖3高速串行鏈路物理層的基本組成結(jié)構(gòu)示意圖
那么當(dāng)接收端接收到物理鏈路上接收到的數(shù)據(jù)后，接收端對(duì)數(shù)據(jù)的均衡效果怎樣？時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)電路能否準(zhǔn)確的恢復(fù)出時(shí)鐘？以及解串器、8B/10B解碼器等是否工作良好等問(wèn)題都可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)誤碼的產(chǎn)生，在高速串行數(shù)據(jù)測(cè)試中都需要分別進(jìn)行檢測(cè)和驗(yàn)證。如通過(guò)注入不同信號(hào)幅度的碼型來(lái)驗(yàn)證接收端Amplifier/Equalization的最小電平輸入靈敏度，并通過(guò)設(shè)置不同的預(yù)加重來(lái)確定能夠補(bǔ)償通道失真的最優(yōu)的預(yù)加重設(shè)置，這個(gè)測(cè)試中需要具有能夠調(diào)節(jié)幅度和預(yù)加重設(shè)置的信號(hào)源并需要增加通道失真導(dǎo)致的ISI抖動(dòng)；時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)模塊的測(cè)試則需要通過(guò)施加不同幅度的正弦抖動(dòng)來(lái)驗(yàn)證其工作范圍；對(duì)解串、8B/10B電路測(cè)試則需要通過(guò)施加信號(hào)的其他影響參數(shù)如隨機(jī)抖動(dòng)、高頻正弦抖動(dòng)、時(shí)鐘對(duì)齊符號(hào)碼等可能導(dǎo)致的問(wèn)題。
對(duì)接收端性能的測(cè)試也通常叫做接收機(jī)測(cè)試。接收端測(cè)試的最主要的目的是驗(yàn)證接收端的誤碼率是否滿(mǎn)足要求。
二、接收端測(cè)試的基本原理
接收端測(cè)試的基本原理是測(cè)試儀器（通常使用誤碼分析儀或者信號(hào)源和能分析誤碼的專(zhuān)用協(xié)議分析儀來(lái)完成）發(fā)出特定的碼型給被測(cè)接收端，接收端在Loopback模式下再將數(shù)據(jù)接收、恢復(fù)后通過(guò)其Tx端發(fā)送回測(cè)試儀器，由測(cè)試儀器完成其發(fā)出去的數(shù)據(jù)和接收到的數(shù)據(jù)的對(duì)比，從而分析出誤碼的數(shù)量，這種測(cè)量方法叫外部誤碼率測(cè)試（External BERT），此時(shí)被測(cè)件工作在重定時(shí)環(huán)回模式（Retimed Loopback）；還有一種是芯片內(nèi)部自帶有誤碼檢測(cè)電路，接收端接收到數(shù)據(jù)后自行統(tǒng)計(jì)誤碼，然后將誤碼的數(shù)量反饋給測(cè)試儀器，這種方法叫做內(nèi)部誤碼測(cè)試方法（Internal BERT），此時(shí)被測(cè)件工作Loopback BERT模式下；如下圖4所示，目前用得比較廣泛的是重定時(shí)環(huán)回測(cè)量方法。由于接收端測(cè)量和調(diào)試需要驗(yàn)證不同條件下的接收端的特性，因此需要信號(hào)源能夠發(fā)出不同的碼型、調(diào)節(jié)輸出信號(hào)幅度、預(yù)加重、施加不同頻率、不同幅度的正弦抖動(dòng)、隨機(jī)抖動(dòng)等。
圖4內(nèi)部誤碼測(cè)試方法和外部誤碼測(cè)試方法
三、接收端一致性測(cè)試和容限測(cè)試（抖動(dòng)容限測(cè)試）的概念及區(qū)別
高速串行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范通常會(huì)要求在某一特定測(cè)試條件下，接收端的各項(xiàng)指標(biāo)需要符合一定的標(biāo)準(zhǔn)（最主要是抖動(dòng)指標(biāo)）。比如說(shuō)USB3.0的規(guī)范就要求接收端一致性測(cè)試的環(huán)境設(shè)置條件如右邊表格所示，需要設(shè)定測(cè)試儀器輸出的碼型信號(hào)帶有規(guī)范要求數(shù)值的De-emphasis,RJ,SJ,Eye Height,TJ等參數(shù)，規(guī)范中將給出在這一環(huán)境下的抖動(dòng)及誤碼率指標(biāo)要求。表中的正弦抖動(dòng)需要在不同頻點(diǎn)下進(jìn)行測(cè)試以驗(yàn)證CDR的性能。根據(jù)規(guī)范要求進(jìn)行的測(cè)試驗(yàn)證就叫做一致性測(cè)試（compliance test），其目的主要是為了驗(yàn)證被測(cè)件是否滿(mǎn)足規(guī)范要求。測(cè)試結(jié)果如下圖5左圖所示，橫軸表示的是正弦抖動(dòng)的頻率，縱軸表示的是正弦抖動(dòng)所對(duì)應(yīng)的幅度，當(dāng)圖中的點(diǎn)均為綠色時(shí)說(shuō)明測(cè)試結(jié)果是符合規(guī)范的，沒(méi)有誤碼發(fā)生。
一致性測(cè)試只能驗(yàn)證測(cè)試結(jié)果是否滿(mǎn)足規(guī)范。事實(shí)上我們更需要了解被測(cè)件的實(shí)際容限有多大，這時(shí)候只需要將一致性測(cè)試中固定幅度的Sj改為在一定范圍內(nèi)可變化的測(cè)量就可以測(cè)試接收端容限或者說(shuō)抖動(dòng)容限了，如下圖5右圖所示，不同頻點(diǎn)處（橫軸）的Sj的幅度在變化，每一個(gè)幅度都會(huì)進(jìn)行一次測(cè)試，直到測(cè)試儀器檢測(cè)到誤碼為止，圖中出現(xiàn)紅色點(diǎn)的位置即表示系統(tǒng)開(kāi)始出現(xiàn)誤碼，綠色點(diǎn)表示沒(méi)有出現(xiàn)誤碼，圖中黑色曲線(xiàn)是規(guī)范要求的指標(biāo)，抖動(dòng)容限即表示出現(xiàn)誤碼（紅色點(diǎn)位置）到規(guī)范要求的指標(biāo)之間的差值。這一測(cè)試過(guò)程叫接收端容限測(cè)試。另外，如果系統(tǒng)有誤碼，測(cè)試儀器也會(huì)統(tǒng)計(jì)出誤碼的數(shù)量。通常高速串行數(shù)據(jù)規(guī)范要求測(cè)試誤碼率BER=10E+12的抖動(dòng)容限指標(biāo)及誤碼情況。
圖5接收端一致性測(cè)試和容限測(cè)試結(jié)果示意圖
四、接收端測(cè)試的難點(diǎn)
接收端測(cè)試的主要難點(diǎn)有：
1、如何能實(shí)現(xiàn)測(cè)試儀器與被測(cè)DUT的順利握手（這一點(diǎn)在Tx發(fā)送端測(cè)試的時(shí)候尤為重要，因?yàn)閷?duì)于高速串行信號(hào)來(lái)說(shuō)，往往需要測(cè)試不同類(lèi)型的碼型，因此不僅需要誤碼測(cè)試儀器能夠發(fā)出不同碼型的激勵(lì)信號(hào)，同時(shí)為了快速自動(dòng)化的測(cè)試，則需要測(cè)試儀器能夠自動(dòng)的根據(jù)需要誘使DUT發(fā)出相應(yīng)的碼型給示波器進(jìn)行物理層測(cè)試，這需要測(cè)試儀器與被測(cè)DUT有非常好的協(xié)調(diào)和握手能力）。
2、如何讓DUT進(jìn)入Loopback模式，因?yàn)榻邮斩藴y(cè)試時(shí)需要讓DUT工作在Loopback模式下才能進(jìn)行測(cè)試，讓DUT進(jìn)入Loopback模式有兩種方法，一種是通過(guò)內(nèi)部硬件編程的方法，另外一種是通過(guò)協(xié)議層級(jí)的握手；而很多板級(jí)的應(yīng)用工程師無(wú)法做到讓DUT工作到Loopback模式下。
3、如何處理由于發(fā)送端數(shù)據(jù)和接收端數(shù)據(jù)由于時(shí)鐘速率不一致而插入的時(shí)鐘對(duì)齊符號(hào)碼（如USB3.0中的SKP信號(hào)）；在串行數(shù)據(jù)應(yīng)用中，發(fā)送端和接收端通常是異步工作模式，兩者使用的不是同一個(gè)時(shí)鐘，這樣就可能導(dǎo)致發(fā)送端數(shù)據(jù)的參考時(shí)鐘和接收端數(shù)據(jù)的參考時(shí)鐘的速率不一致，如下圖6所示為接收端接收到測(cè)試儀器發(fā)過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，當(dāng)其工作在Loopback模式時(shí)，接收端會(huì)通過(guò)Tx將數(shù)據(jù)返回給測(cè)試儀器的示意圖。由于Tx使用的基準(zhǔn)時(shí)鐘是板上的參考時(shí)鐘，而Rx使用的是從串行數(shù)據(jù)中的恢復(fù)時(shí)鐘，兩個(gè)異步時(shí)鐘的不一致可能會(huì)導(dǎo)致接收到的數(shù)據(jù)和發(fā)送出去的數(shù)據(jù)的不一致，從而導(dǎo)致誤碼的產(chǎn)生，這時(shí)候接收端芯片內(nèi)部會(huì)有一個(gè)Elastic Buffer，這個(gè)Buffer會(huì)通過(guò)插入或者丟掉一些特定的符號(hào)碼（如SKP碼）來(lái)協(xié)調(diào)接收端時(shí)鐘和發(fā)送端時(shí)鐘的速率差異。如下圖7所示為USB3.0的Elastic Buffer插入和丟掉SKP碼的圖示，在USB3.0中，鏈路兩端的產(chǎn)品的參考時(shí)鐘頻率可能是不一樣的，參考時(shí)鐘允許的精度為+/-300ppm，SSC展頻引入的頻率偏差為0到-5000ppm，所以總的頻率偏差在-5300ppm到300ppm。為了補(bǔ)償頻率偏差，在USB3.0中的數(shù)據(jù)流中每354個(gè)symbol要插入兩個(gè)SKP（即K28.1碼），接收端需要能識(shí)別和刪除SKP，在USB3.0芯片中，添加和刪除SKP是由Elastic Buffer來(lái)實(shí)現(xiàn)的（詳見(jiàn)USB3.0 Specification的6.4.3節(jié)）。于是，在接收機(jī)測(cè)試時(shí)，PUT發(fā)送出的碼流會(huì)加入一些SKP，誤碼檢測(cè)器接收到的數(shù)據(jù)包括了測(cè)試碼型和一些SKP，然后對(duì)比碼型發(fā)生器發(fā)送出的測(cè)試碼型，傳統(tǒng)的BERT會(huì)誤認(rèn)為測(cè)量到了誤碼。而力科的PeRT3可以智能的添加和刪除SKP后，再來(lái)計(jì)算是否有誤碼。
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