基于直接數(shù)字合成技術(shù)的高速串行信號接收端容限測

主要介紹串行信號的特性、傳統(tǒng)數(shù)字信號源實(shí)現(xiàn)串行信號接收端容限測試的方法及其局限、直接合成信號源的實(shí)現(xiàn)方法及其優(yōu)勢，以及模擬信號源直接合成的方式在目前比較流行的串行標(biāo)準(zhǔn)中如SATA、Display Port、HDMI等的實(shí)際應(yīng)用

引言

在系統(tǒng)或者芯片的驗(yàn)證過程中，使用高速串行信號標(biāo)準(zhǔn)的芯片的接收端測試都需要激勵(lì)信號源，一直以來，設(shè)計(jì)人員幾乎完全依賴數(shù)字信號發(fā)生器，為串行測試生成二進(jìn)制信號。他們在數(shù)字信號中運(yùn)用輸入信號的幅度調(diào)節(jié)、注入抖動、相位偏移調(diào)節(jié)等手段來進(jìn)行比較惡劣的工作環(huán)境的模擬，以考驗(yàn)接收端的接收容限。但是，信號源領(lǐng)域中的新技術(shù)正在改變這一切，直接合成工具可以幫助設(shè)計(jì)人員創(chuàng)建現(xiàn)實(shí)程度更高的信號，并極大地減少復(fù)雜的測試設(shè)置和多種設(shè)備共用可能引入的測量誤差。

直接數(shù)字合成方式產(chǎn)生信號的意義

串行信號完全由簡單的二進(jìn)制數(shù)1和0組成。為什么要使用直接數(shù)字合成模擬波形來表示數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)呢？這是因?yàn)樵跀?shù)字信號中隱含的是模擬事件。書本上理想的數(shù)字信號的零上升時(shí)間和完美的“平頂”都是虛擬的，實(shí)際的工作環(huán)境具有噪聲、串?dāng)_、反射、電源變化和其他缺點(diǎn)，每個(gè)缺點(diǎn)都會給信號帶來影響。直接合成信號源的優(yōu)點(diǎn)是能夠完全“模仿”實(shí)際信號的模擬特點(diǎn)，可以任意控制信號的上升時(shí)間、脈沖形狀、延遲、畸變、抖動變化規(guī)律等，這正是嚴(yán)格的串行總線測試所需的操作。泰克的AWG7000就是使用直接數(shù)字合成的方式產(chǎn)生信號的任意波形發(fā)生器，可以生成一個(gè)測試信號，擁有所需的全部時(shí)序、幅度和失真特點(diǎn)，而不是像一般的數(shù)字信號源那樣先生成一個(gè)“干凈”的理想信號，然后再通過各種組合去劣化信號來模擬真實(shí)環(huán)境。

實(shí)際工作環(huán)境中高速串行信號的模擬特性

由于傳輸介質(zhì)的衰減以及反射會導(dǎo)致信號不同程度的劣化，具體表現(xiàn)為抖動的增大，信號幅度的衰減等。在實(shí)際工作環(huán)境中，隨著信號速率的提高，傳輸介質(zhì)對信號的影響越來越明顯，信號一般會隨信號速率和傳輸路徑長度成比例劣化。在大規(guī)模的工程化生產(chǎn)制造過程中，可能會犧牲PCB、連接器、線纜的性能來換取成本的優(yōu)勢，這就更增加了接收端的容限要求。

由于時(shí)鐘芯片的抖動影響，電源平面的波動干擾，以及串行信號周邊低頻但高能量的信號的串?dāng)_，這些都會導(dǎo)致串行信號發(fā)生時(shí)序上的變化，這種變化表現(xiàn)為信號邊沿的抖動有規(guī)律的跟隨著干擾信號的變化而變化；或者為了減少EMI的輻射，特意在時(shí)鐘信號上疊加一個(gè)低頻的調(diào)制，使信號的頻率隨著調(diào)制信號而有規(guī)律的升高或降低，頻譜擴(kuò)散在相對寬的頻率范圍內(nèi)，而降低頻譜的尖峰值，一般稱為SSC(擴(kuò)頻時(shí)鐘)。

為了減少傳輸介質(zhì)的衰減而造成的波形的畸變和ISI的抖動成分的增加，提高傳輸過程中的信號完整性。業(yè)界普遍使用了去加重(de-emphasis)的技術(shù)，以補(bǔ)償傳輸線對高頻分量的衰減，改善接收機(jī)輸入上的信號保真度。但必須在設(shè)計(jì)階段全面評估串行設(shè)備對去加重的響應(yīng)。在調(diào)試過程中可以根據(jù)實(shí)際的情況，調(diào)節(jié)去加重的比例以獲得最好的傳輸效果。

傳統(tǒng)數(shù)字信號源對串行信號特性進(jìn)行模擬的方法

一般的數(shù)字信號源能夠?qū)Ρ容^單一的規(guī)律性變化的數(shù)字信號進(jìn)行模擬，如信號中含有隨機(jī)噪聲，或者信號的抖動以單一的正弦規(guī)律或者三角波規(guī)律變化的情況?？梢杂枚鄠€(gè)儀器混合注入不同特性的抖動和噪聲實(shí)現(xiàn)。但如果信號的劣化是不規(guī)則的或者以比較復(fù)雜的規(guī)律變化的，如在正弦抖動中含有電源或者其他高能量信號干擾引起的抖動，數(shù)字信號源就難以進(jìn)行模擬了。

圖1 數(shù)字信號源實(shí)現(xiàn)“去加重”特性信號的方法

對于串行信號標(biāo)準(zhǔn)中常用的“去加重”特性的實(shí)現(xiàn)，數(shù)字信號源則需要使用多通道以及Power Combiner電源組合器進(jìn)行復(fù)雜的連接來實(shí)現(xiàn)，而且要精確控制多個(gè)通道的相位關(guān)系，否則得到的信號會與預(yù)期大相徑庭，原理如圖1所示，將CH1相對于CH2延遲一個(gè)比特位(UI),然后將兩個(gè)通道相減，就可以得到圖1去加重的信號。

使用直接數(shù)字合成原理的AWG(任意波形發(fā)生器)如何對串行信號進(jìn)行模擬

直接合成是一種基于采樣的技術(shù)。直接合成信號源 (AWG)從樣點(diǎn)中創(chuàng)建模擬波形，在帶寬和采樣率能達(dá)到的范圍內(nèi)，AWG存儲器中的樣點(diǎn)基本上可以定義任何波形，這些樣點(diǎn)可以從示波器采集的實(shí)際波形中獲得，也可以采用公式或者算法去任意定義。

圖2 直接數(shù)字合成信號源對串行信號的模擬方法

直接合成信號源除了能夠合成含任何抖動規(guī)律或者噪聲的信號，建立隨機(jī)抖動和確定性抖動的影響模型,以定量方式和定性方式改變施加的效應(yīng)外，還能模擬信號在傳輸時(shí)由于特定介質(zhì)的不同特性導(dǎo)致的衰減、反射、串?dāng)_等信號的畸變。而且不需要使用復(fù)雜的外部設(shè)備去注入抖動或者噪聲，所有的信號特性都在儀器的處理器和存儲器中合成，所以連接非常簡便，同時(shí)可以減少儀器之間互聯(lián)可能引起的錯(cuò)誤或者不確定性，如圖2所示。

對于合成信號的速率、抖動注入的頻率和幅度、噪聲的幅度以及信號的上升時(shí)間，均可以通過泰克的SerialXpress軟件方便快捷的進(jìn)行定義，并可以實(shí)時(shí)模擬實(shí)現(xiàn)效果，如圖3所示。

圖3 使用SerialXpress軟件對串行信號特性進(jìn)行定義

對于去加重信號的直接合成方法完全不同于數(shù)字信號源，但得到的結(jié)果確完全相同。AWG存儲的信號已經(jīng)包含“去加重”特性，因此不需要生成及外部組合兩條數(shù)據(jù)流，以得到合成信號。如圖4中單一通道的輸出就可以實(shí)現(xiàn)。而且“去加重”的比例如-3.5dB、-6dB等可以根據(jù)需要任意的調(diào)節(jié)。

圖4 直接數(shù)字合成信號源對串行信號的“去加重”特性的模擬方法

直接合成信號源(AWG)在目前流行的串行總線一致性測試中的應(yīng)用

1 SATA總線的一致性測試

目前SATA Workgroup已經(jīng)發(fā)布了發(fā)送端、線纜以及接收端的一致性測試規(guī)范和實(shí)現(xiàn)方法。SATA的接收端抖動容限一致性測試要求DUT進(jìn)入回環(huán)模式。在設(shè)備處于這種模式時(shí)，由測試儀器（信號源）發(fā)送含抖動的信號給DUT的接收端，然后DUT的發(fā)送端就會對已經(jīng)收到的信號做出正確的響應(yīng)，最后由錯(cuò)誤幀檢測器(Frame error detector)去檢測DUT的發(fā)送端響應(yīng)輸出的數(shù)據(jù)是否正確，或者可以逐步調(diào)大信號源注入的抖動幅度，直到Frame error detector檢測到錯(cuò)誤幀出現(xiàn)，此時(shí)獲得的抖動幅度就是接收端的抖動容限值。傳統(tǒng)上需要外部PC上運(yùn)行專門的應(yīng)用軟件來強(qiáng)迫DUT進(jìn)入回環(huán)模式。遺憾的是，一旦斷開信號源以后，大多數(shù)收發(fā)機(jī)就會自動退出回環(huán)模式，返回正常操作，因此無法再繼續(xù)進(jìn)行測試。應(yīng)對這一挑戰(zhàn)的常用解決方案是通過功率合成器向DUT 輸送BIST-L 命令，如圖5所示。通過在測試電路中使用電源組合器，數(shù)據(jù)發(fā)生器可以在環(huán)回模式激活時(shí)，開始把測試數(shù)據(jù)發(fā)送到DUT，而不要求斷開連接。功率合成器是一種可行的解決方案，但有它的缺點(diǎn)。很明顯，它提高了復(fù)雜度，增加了連接錯(cuò)誤、電氣接觸不良及出現(xiàn)其他機(jī)械問題的機(jī)會；它還需要校準(zhǔn)所有輸入源，保證正確引入抖動成分。最重要的是，功率合成器會使數(shù)據(jù)信號電壓衰減高達(dá)50%。

圖5 數(shù)字信號源實(shí)現(xiàn)SATA接收端抖動容限測試的方法

如果采用AWG直接合成的方法，儀器可以代替PC發(fā)送回環(huán)指令。它不需要功率合成器或運(yùn)行BIST-FIS軟件的PC。圖6是基于AWG的抖動容限測試系統(tǒng)：一臺儀器生成輸入信號，一臺儀器讀取輸出。通過SATA的測試配置可以看出，通過AWG采用直接數(shù)字合成方法構(gòu)建測試環(huán)境非常簡單和方便。

圖6 直接數(shù)字合成信號源實(shí)現(xiàn)SATA抖動容限測試方法

2 DisplayPort 總線的一致性測試

在Display Port Compliance Test Specification Version1的接收端抖動容限測試中，要求信號源提供包含不同的抖動頻率、抖動幅度以及抖動成分的信號，輸入到Sink的接收端，然后看Sink的誤碼率來考驗(yàn)接收端的性能，這對于傳統(tǒng)的數(shù)字信號源是一個(gè)挑戰(zhàn)，請看圖7中的傳統(tǒng)數(shù)字信號源的解決方案，為了合成復(fù)雜的抖動成分，需要額外的增加一個(gè)噪聲信號發(fā)生器和矢量信號發(fā)生器，而且兩者還需要用Power Divider合成起來去給數(shù)字信號源注入抖動，整個(gè)測試環(huán)境的構(gòu)建十分復(fù)雜。而圖8的使用直接合成信號源實(shí)現(xiàn)方法的獨(dú)特優(yōu)勢在于它只需按一個(gè)鍵，就可以輸出合成的信號，這些信號包含正弦、ISI、Rj、Pj抖動、預(yù)加重、平衡、跳變時(shí)間和幅度控制,連接簡便而且測試的一致性和可重復(fù)性均很高。

圖7 傳統(tǒng)數(shù)字信號源實(shí)現(xiàn)DisplayPort接收端抖動容限測試的方法

圖8 AWG采用直接數(shù)字合成信號源實(shí)現(xiàn)DisplayPort抖動容限測試的方法

3 HDMI的一致性測試

在HDMI 的CTS1.3b的規(guī)范中，要求在Sink的抖動容限測試中除了加入兩種頻率的抖動外，還需要加入TTC(transition time converter)以及Cable emulator以保證信號的上升時(shí)間以及抖動成分符合規(guī)范要求。數(shù)字信號源使用如圖9所示的方式來實(shí)現(xiàn)。

圖9 數(shù)字信號源實(shí)現(xiàn)HDMI接收端抖動容限測試的方法

對于TTC,要求不同的測試頻率加入不同的TTC，分別為：74.25MHz/450ps、148.5MHz/220ps、165MHz/200ps、222.75MHz/150ps、340MHz/60ps。對于Cable emulator,同樣要求在不同的測試頻率使用5種不同特性的cable emulator。

根據(jù)規(guī)范對于Sink的測試，需要測試其在不同的時(shí)鐘頻率下的性能。這可能會導(dǎo)致在測試過程中頻繁的更換不同的TTC和Cable emulator。除了花費(fèi)大量的時(shí)間外還可能會導(dǎo)致頻繁的改變連接引起的信號接觸不良等因素造成的測試差異。另外由于Cable emulator和TTC價(jià)格昂貴，需要額外支出大筆費(fèi)用。采用直接合成信號的方式產(chǎn)生信號，TTC和Cable emulator的特性均可以采用AWG來進(jìn)行模擬。同樣如圖8所示，無論是測試DisplayPort還是HDMI，都可以方便通過AWG配合直接數(shù)字合成的方法在配置簡單的情況下，方便地產(chǎn)生各種高速串行信號。

結(jié)論

直接數(shù)字合成的方式能任意的創(chuàng)建各種標(biāo)準(zhǔn)高速串行信號，使產(chǎn)生信號擁有一致性測量、極限測試和調(diào)試所需的全部特點(diǎn)，包括多電平信號、簡單的SSC時(shí)鐘調(diào)制、復(fù)雜的抖動和信號失真。這種技術(shù)可以在極大的簡化測試連接的同時(shí)實(shí)現(xiàn)很好的測試一致性和可重復(fù)性。在未來的各種高速串行數(shù)據(jù)的信號完整性測試過程中，這種信號合成方法正為越來越多的串行信號測試標(biāo)準(zhǔn)委員會所采納。