25Gbps以上高速串行總線的測(cè)試挑戰(zhàn)

引言：當(dāng)今由于電子產(chǎn)品對(duì)數(shù)據(jù)吞吐率要求越來(lái)越高，這使得信號(hào)傳輸速率也越來(lái)越高且往往需要多個(gè)通道同時(shí)傳輸，這給測(cè)試帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)。

當(dāng)今由于電子產(chǎn)品對(duì)數(shù)據(jù)吞吐率要求越來(lái)越高，這使得信號(hào)傳輸速率也越來(lái)越高且往往需要多個(gè)通道同時(shí)傳輸，這給測(cè)試帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)。首先，測(cè)試系統(tǒng)本身的帶寬需要足夠高;其次，高帶寬通道的數(shù)量也需要足夠多，且通道之間的失序一致性也要求足夠的精確。另外，還需要具備多通道的分析能力以描述多個(gè)通道之間的串?dāng)_，噪聲，眼圖，抖動(dòng)等。本文將主要分析這些挑戰(zhàn)以及Teledyne LeCroy(力科)有哪些解決方案來(lái)應(yīng)對(duì)這樣的挑戰(zhàn)。

一、高速串行總線的特點(diǎn)及測(cè)試挑戰(zhàn)

近幾年來(lái)，移動(dòng)通信和云計(jì)算的發(fā)展正在驅(qū)動(dòng)著更高數(shù)據(jù)吞吐量的需求，為了滿足這種需求，誕生了很多新興的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，如：PCIe Gen3，40/100 Gbase-R，SAS3等;這些高速串行總線具有如下特點(diǎn)：

1、更高的速率，如40/100 Gbase-R單通道數(shù)據(jù)速率高達(dá)28 Gbps;這要求測(cè)試系統(tǒng)(如示波器)具有更高的帶寬，對(duì)于一個(gè)28Gbps信號(hào)，如需要測(cè)量到3次諧波，則需要42GHz帶寬;如需要測(cè)量到5次諧波，則需要70GHz以上的帶寬。

2、多通道架構(gòu)-并行化串行傳輸-傳輸密度更高，如PCIE3.0，最多可以支持32個(gè)通道，每個(gè)通道的速率達(dá)到8Gbps;當(dāng)前已經(jīng)成熟的100G光通信采用了四路調(diào)制信號(hào)并行傳輸?shù)姆椒?，每一路速率都達(dá)到28Gbps。多通道數(shù)據(jù)傳輸需要測(cè)試儀器能夠進(jìn)行多通道的分析。

3、高速率、多鏈路情況下，串?dāng)_問(wèn)題更加突出。

4、多鏈路間的時(shí)序匹配要求更高，如上圖2 100G光通信中的四路28Gbps信號(hào)采用了DPQPSK雙偏振正交相移鍵控，四路信號(hào)間需要有非常嚴(yán)格的時(shí)間同步，以保證精確的進(jìn)行調(diào)制與解調(diào)。這要求測(cè)試儀器不僅具有多個(gè)通道，而且通道間需要保持精確的同步。

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二、如何應(yīng)對(duì)這些測(cè)試挑戰(zhàn)

1、高達(dá)100GHz的高帶寬、多達(dá)80通道的模塊化示波器

Teledyne LeCroy(力科)公司的高帶寬模塊化示波器能夠?qū)崿F(xiàn)：高帶寬、高帶寬多通道、高帶寬多通道之間的精確相位同步。該系列示波器(LabMaster 10Zi)采用了多項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，如圖1所示，包括最新的8HP鍺化硅 (SiGe) 芯片組技術(shù)(實(shí)現(xiàn)單通道模擬帶寬36GHz);數(shù)字通道復(fù)用技術(shù) (DBI)專利技術(shù)，此技術(shù)突破了芯片級(jí)的帶寬限制，是力科的第7代成熟的DBI專利技術(shù)，當(dāng)前能夠?qū)⑹静ㄆ鲙捬由斓?00GHz;通道同步專利(ChannelSyncTM )，精確的同步最多20個(gè)采集模塊，高達(dá)80 通道 @ 36 GHz，高達(dá)40 通道 @ 65 GHz，高達(dá)20 通道 @ 100 GHz。

該系列模塊化示波器不僅擁有足夠帶寬以實(shí)現(xiàn)28Gbps及以上高速信號(hào)的測(cè)量，而且其模塊化系統(tǒng)架構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)通道的高速信號(hào)的精確同步測(cè)量。力科LabMaster10Zi的通道同步架構(gòu)具備兩個(gè)非常重要的特點(diǎn)：1)每個(gè)采樣模塊的參考時(shí)鐘來(lái)源于主控模塊。一個(gè)專門(mén)的時(shí)鐘分布網(wǎng)絡(luò)ChannelSync，直接把10GHz時(shí)基時(shí)鐘分配到每個(gè)采集模塊，整個(gè)系統(tǒng)只有一個(gè)時(shí)基電路。ChannelSync采用了高穩(wěn)相電纜，對(duì)信號(hào)的保真度高。并且由于時(shí)基時(shí)鐘頻率高、擺率大，因此受幅度噪聲的影響小。2)所有模塊的每個(gè)通道都由主模塊的觸發(fā)電路控制，即使這個(gè)觸發(fā)電路有觸發(fā)抖動(dòng)，也不影響通道之間的相對(duì)時(shí)序關(guān)系。因此，多通道LabMaster本質(zhì)上就是一個(gè)單臺(tái)示波器，同步精度大大優(yōu)于多臺(tái)示波器通過(guò)級(jí)聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)的多通道示波器系統(tǒng)。

如何應(yīng)對(duì)這些測(cè)試挑戰(zhàn)(2)

2、新一代多通道同步分析的串行數(shù)據(jù)分析軟件SDAIII

多鏈路的高速串行數(shù)據(jù)不僅需要足夠高的示波器進(jìn)行精確的采集，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)還需要有能力進(jìn)行分析和處理，查找可能存在的一些根源。Teledyne LeCroy的SDAIII串行數(shù)據(jù)分析軟件除了能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)的眼圖、抖動(dòng)等項(xiàng)目測(cè)試以外，其突出的特點(diǎn)是能夠同時(shí)進(jìn)行4個(gè)通道+一個(gè)參考通道的高速信號(hào)分析，而且能進(jìn)行噪聲和串?dāng)_分析，并集成了虛擬探測(cè)和眼圖醫(yī)生的仿真測(cè)試功能。圖2所示為SDAIII的流程圖式的界面。

圖2：SDAIII框圖

利用SDAIII可以實(shí)現(xiàn)三種情形的串行數(shù)據(jù)分析：(1)多條鏈路間的分析;(2)同一鏈路上不同節(jié)點(diǎn)的分析;(3)同一鏈路上同一節(jié)點(diǎn)不同情形的分析(如實(shí)際測(cè)量結(jié)果，施加預(yù)加重，使用CTLE均衡，使用DFE均衡等測(cè)量結(jié)果的對(duì)比)，三種情形和測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3：SDAIII實(shí)現(xiàn)多種情形下的分析

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3、12端口信號(hào)完整性網(wǎng)絡(luò)分析儀SPARQ

對(duì)于高速信號(hào)，串?dāng)_的影響已經(jīng)不可忽略。頻域S參數(shù)的測(cè)量是衡量串?dāng)_大小的一個(gè)很好的方法。而對(duì)于具有多個(gè)端口的串行數(shù)據(jù)鏈路，則需要多端口的網(wǎng)絡(luò)分析儀，傳統(tǒng)的VNA(矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀)會(huì)非常昂貴，Teledyne LeCroy(力科)針對(duì)信號(hào)完整性領(lǐng)域的頻域參數(shù)測(cè)量特點(diǎn)，專門(mén)開(kāi)發(fā)了這款S參數(shù)測(cè)量?jī)xSPARQ(圖4)，相對(duì)于傳統(tǒng)的VNA，具有一系列優(yōu)秀的特點(diǎn)：

(1)一鍵式操作即可快速完成S參數(shù)的測(cè)量;

(2)內(nèi)置OSLT 自動(dòng)校準(zhǔn)，不需要手動(dòng)的連接和斷開(kāi), 也不需要昂貴的ECAL自動(dòng)校準(zhǔn)件，不必再擔(dān)心校準(zhǔn)件丟失或者損壞;

(3)可輸出完全符合仿真格式的S參數(shù)，具有passivity(無(wú)源性)，reciprocity(互操作性) 以及causality等(因果性)物理特性增強(qiáng)功能，S參數(shù)中包含了DC 點(diǎn);

(4)包括頻域和時(shí)域結(jié)果顯示，不僅包含標(biāo)準(zhǔn)的單端和混合模式S參數(shù)測(cè)試結(jié)果，也提供階躍響應(yīng)，脈沖響應(yīng)，阻抗和阻抗系數(shù)等時(shí)域測(cè)試結(jié)果，時(shí)域結(jié)果顯示更加直觀，有利于調(diào)試測(cè)試中遇到的問(wèn)題;

(5)自動(dòng)去嵌到DUT的測(cè)試參考平面，通過(guò)基于S參數(shù)的方法消除線纜，適配器以及夾具對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響;

(6)固有的TDR/TDT能力：TDR/TDT 的工作模式有助于快速的核查和調(diào)試測(cè)量中的問(wèn)題;

(7)小巧，輕便，基于PC， 且使用非常方便。

圖4：12端口SPARQ

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三、25Gbps信號(hào)經(jīng)過(guò)背板后的實(shí)測(cè)及均衡處理

圖5所示為一個(gè)實(shí)測(cè)的25Gbps信號(hào)，從信號(hào)源輸出的眼圖很好，但是經(jīng)過(guò)20inch背板后眼圖已經(jīng)完全閉合，經(jīng)過(guò)預(yù)加重和均衡后眼圖得到了改善，而且通過(guò)SDAIII多眼圖分析能力，我們可以非常清楚的觀察和對(duì)比預(yù)加重和均衡對(duì)閉合眼圖的改善效果。由于SDAIII集成了通道仿真、預(yù)加重、均衡等仿真功能，因此我們可以將力科的SPARQ(用于分析和測(cè)量S參數(shù))和示波器整合到一起形成一套更加完善的信號(hào)完整性分析解決方案。

圖5：25Gbps信號(hào)實(shí)測(cè)及經(jīng)過(guò)背板后和施加預(yù)加重均衡后的眼圖效果