直接合成方法簡化串行數(shù)據(jù)接收機(jī)極限測試

　　多年來，寬同步并行總線一直是在數(shù)字設(shè)備之間交換數(shù)據(jù)的既定的實(shí)現(xiàn)技術(shù)。但是，定時(shí)問題一直“折磨著”較高時(shí)鐘頻率和數(shù)據(jù)速率的并行總線，嚴(yán)重地限制了它們滿足服務(wù)器和圖形系統(tǒng)中更高速計(jì)算結(jié)構(gòu)需求的能力。在過去幾年中，串行總線技術(shù)的普遍實(shí)施變革了計(jì)算行業(yè)。串行總線只發(fā)送一條碼流，“自行獲得時(shí)鐘輸入”，從而消除了與并行技術(shù)有關(guān)的定時(shí)偏移。在串行傳輸中，同步遠(yuǎn)不是什么問題，解決了對整體吞吐量的結(jié)構(gòu)限制。結(jié)果，串行數(shù)據(jù)速率已經(jīng)提高到1Gb/s以上，當(dāng)前實(shí)現(xiàn)方案已經(jīng)接近3~6Gb/s。但是，隨著幾千兆位的串行數(shù)據(jù)速率在數(shù)字系統(tǒng)中日益常見，信號完整性、也就是集成電路正確運(yùn)行必需的信號質(zhì)量正成為設(shè)計(jì)人員擔(dān)心的首要問題。數(shù)據(jù)流中的一個(gè)壞碼就可能給指令或交易輸出帶來巨大的影響。

　　串行數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)的測試流程正隨著數(shù)據(jù)速率的提高而演變。幾乎所有串行標(biāo)準(zhǔn)(如PCI Express或串行ATA)的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)都出版了一套推薦的測試規(guī)范。隨著數(shù)據(jù)速率超過1 Gb/sec，標(biāo)準(zhǔn)開始重視接收機(jī)極限測試，把它作為高速串行設(shè)計(jì)成功進(jìn)行互通的一個(gè)關(guān)鍵檢查點(diǎn)。隨著位判定容限變得越來越精確(使用皮秒和微伏度量)，設(shè)計(jì)環(huán)境在遇到噪聲、抖動、串?dāng)_、分布式電抗、電源變化和其它問題時(shí)，可能會給接收的信號帶來巨大的代價(jià)。

　　為有效測試高速串行接收機(jī)極限，必需以于真實(shí)情況一致的方式“重建”上述信號，確定接收機(jī)能否以預(yù)測的精度水平管理位判定。為什么要使用模擬波形表示數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)呢？這是因?yàn)閿?shù)字信號下面是模擬事件。教科書上數(shù)字信號的零上升時(shí)間和完美的平頂都是虛構(gòu)的，實(shí)際環(huán)境中的數(shù)字“方波”很少類似于理論值。模擬波形信號源的優(yōu)點(diǎn)是能夠統(tǒng)一仿真這些不理想的模擬特性。

　　為進(jìn)行接收機(jī)極限測試生成重建信號的技術(shù)稱為直接數(shù)字合成技術(shù)。該技術(shù)是1971年出版的一篇IEEE論文中闡述的工程設(shè)計(jì)方法1，允許工程師創(chuàng)建信號，體現(xiàn)通過傳輸線傳播時(shí)的效應(yīng)。上升時(shí)間、脈沖形狀、延遲和畸變都是可以控制的，這正是嚴(yán)格的串行總線測試所要完成的工作。
直接合成技術(shù)是一種基于采樣的技術(shù)。示波器從模擬波形中采集樣點(diǎn)，直接合成信號源或任意波形發(fā)生器(AWG)則從樣點(diǎn)中創(chuàng)建模擬波形。其輸出與串行數(shù)據(jù)總線一樣，表示為一個(gè)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)集合。AWG存儲器中的樣點(diǎn)基本上可以定義任何波形，包括數(shù)字脈沖。當(dāng)然，物理學(xué)和帶寬的限制仍然適用，但在規(guī)定范圍內(nèi)，AWG可以象440 Hz樂譜一樣生成5 Gb/s串行數(shù)據(jù)包。新一代AWG (參見圖1)正在出現(xiàn)，其能夠以當(dāng)前串行總線中常見的高數(shù)據(jù)速率傳送信號。

　　新型儀器提供了高達(dá)20 GS/s的采樣率，擁有多個(gè)輸出及充足的存儲器，可以支持長碼型序列。這種新技術(shù)可望變革串行測量，特別是在接收機(jī)一側(cè)。

　　例如，可以采用直接合成方法，在串行碼流中插入抖動，確定其對接收機(jī)行為的影響。抖動是一種信號完整性現(xiàn)象，其一般會“弄臟”邊沿位置，使眼圖張開程度變窄。工程師一直使用傳統(tǒng)碼型發(fā)生器測試接收機(jī)極限，傳統(tǒng)上抖動插入一直通過數(shù)據(jù)發(fā)生器(DG)平臺進(jìn)行管理，其也稱為定時(shí)/碼型發(fā)生器，長期來一直是串行測量的支柱，包括接收機(jī)抖動容限測試。下面將比較DG和碼型發(fā)生器方法與采用直接合成技術(shù)的新興方案。圖2是在接收機(jī)上進(jìn)行抖動測量的典型測試設(shè)置。它說明了提供同時(shí)包含隨機(jī)抖動和確定性抖動的數(shù)據(jù)碼型所需的設(shè)備。

　　這種方法要求在測試套件中調(diào)節(jié)抖動和噪聲成分，在DUT中引入特定數(shù)量的總抖動，直到其開始傳送錯(cuò)幀或誤碼。它測量抖動幅度，確定器件是否滿足規(guī)范。設(shè)備配置的目標(biāo)是代替實(shí)際環(huán)境中的系統(tǒng)組件，生成最終用戶應(yīng)用中預(yù)計(jì)會遇到的任何類型的抖動。

　　接收機(jī)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步提高了這一測試設(shè)置的復(fù)雜性。針對串行ATA2等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的接收機(jī)極限測試要求DUT進(jìn)行帶有特定幀信息結(jié)構(gòu)(FIS)的內(nèi)置自檢(BIST)。串行收發(fā)機(jī)(包括發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和SERDES單元)設(shè)計(jì)成在收到特定BIST-L (環(huán)回)幀序列時(shí)進(jìn)入專用環(huán)回模式。在器件處于這種模式時(shí)，發(fā)射機(jī)會回復(fù)已經(jīng)收到的信號。

　　從歷史上，BIST指令一直由運(yùn)行為該目的設(shè)計(jì)的應(yīng)用軟件的外部PC提供。遺憾的是，一旦BIST源斷開連接，大多數(shù)收發(fā)機(jī)會切換出環(huán)回模式，返回正常操作，因此不可能運(yùn)行測試。解決這一挑戰(zhàn)的傳統(tǒng)方式是通過電源組合器把BIST命令輸送到DUT。電源組合器的另一個(gè)輸入連接到信號發(fā)生器上，信號發(fā)生器提供測試數(shù)據(jù)流，如圖2所示。通過在測試電路中使用電源組合器，一旦激活環(huán)回模式，數(shù)據(jù)發(fā)生器可以開始把測試數(shù)據(jù)推動到DUT，而不要求斷開連接。電源組合器是一種可行的解決方案，但有自己的缺點(diǎn)。很明顯，它提高了復(fù)雜性，給連接錯(cuò)誤、不良電氣接觸和其它機(jī)械問題帶來了又一個(gè)可能性。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，電源組合器使數(shù)據(jù)信號電壓衰減達(dá)50%。通過提高數(shù)據(jù)發(fā)生器的輸出幅度，通?？梢越鉀Q這個(gè)問題，但儀器性能總是有限的。此外，提高幅度不可避免地會提高噪聲，進(jìn)而可能會提高失真。

　　采用AWG的直接合成方法簡化了這些復(fù)雜性。通過使用AWG，可以創(chuàng)建一個(gè)模擬波形，仿真進(jìn)行極限測試所需的抖動幅度。此外，BIST指令集可以編碼到波形中，激活DUT。這只是使用AWG和直接合成技術(shù)可以完成的多種任務(wù)的一部分。為正確創(chuàng)建波要求軟件能夠從協(xié)議層查看信息，并轉(zhuǎn)換成可執(zhí)行的波形文件。如泰克最近推出的RFXpress，它可以基于WiMedia查看協(xié)議層，適合創(chuàng)建/編輯波形。通過這種強(qiáng)大的新型工具(參見圖3)，特定標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)工程師能夠創(chuàng)建特定碼型波形，為抖動和DUT通信等其它單元奠定基礎(chǔ)。




圖3 使用泰克RFXpress創(chuàng)建WiMedia波形

　　隨著數(shù)據(jù)速率不斷攀升，高速串行設(shè)計(jì)驗(yàn)證正把更多的重點(diǎn)放在接收機(jī)極限測試上。測試設(shè)置復(fù)雜性與實(shí)際環(huán)境信號可變的模擬特點(diǎn)，需要改進(jìn)的測試技術(shù)。隨著最近高速采樣率任意波形發(fā)生器的問世，能夠使用直接合成技術(shù)完成極限測試已經(jīng)引起了業(yè)界的注意。泰克AWG7000任意波形發(fā)生器擁有適當(dāng)?shù)牟ㄐ尉庉嫻ぞ呋虿ㄐ螏?，能夠生成不理想的信號或回放捕獲的實(shí)際信號，包括信號噪聲、抖動、預(yù)加重和去加重及高達(dá)10-Gb/sec的多電平信號。此外，泰克網(wǎng)站上提供了為測試各種高速標(biāo)準(zhǔn)而創(chuàng)建的豐富的波形庫3 (如SATA, WiMedia, 高速USB, 以太網(wǎng))。