高速串行總線的信號(hào)完整性驗(yàn)證_高都電子PCB技術(shù)中心_pcb

摘 要：隨著第三代I/O技術(shù)的出現(xiàn)，人們開始步入高速傳輸?shù)臅r(shí)代。在使用PCI Express、SATA等高速串行總線時(shí)，如何保持信號(hào)的完整性是一個(gè)挑戰(zhàn)。本文結(jié)合實(shí)例，介紹信號(hào)完整性驗(yàn)證的基礎(chǔ)知識(shí)和方法。
關(guān)鍵詞：信號(hào)完整性；眼圖；測(cè)試

一般來講，電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)都離不開以下幾個(gè)部分：電源、時(shí)鐘、復(fù)位信號(hào)、總線和接口，正是這些各個(gè)部分的信號(hào)連接著整個(gè)系統(tǒng)，也是決定系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要角色之一。系統(tǒng)的穩(wěn)定性和設(shè)計(jì)質(zhì)量的好壞，從信號(hào)本身的角度可以看出絲許端倪，其實(shí)這也就是信號(hào)完整性研究的內(nèi)容。
--- 隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，設(shè)計(jì)工程師會(huì)越來越多地面臨著高速信號(hào)的設(shè)計(jì)處理的問題，高速數(shù)據(jù)總線技術(shù)的發(fā)展，也給測(cè)試帶來了新的挑戰(zhàn)。
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第三代I/O技術(shù)PCI Express，使人們可以突破以往PCI帶寬較窄的瓶頸限制，從而更加靈活地設(shè)計(jì)的自己高性能系統(tǒng)。對(duì)于PCI Express的測(cè)試，PCISIG已經(jīng)有詳細(xì)的測(cè)試方法了，但是實(shí)際系統(tǒng)千差萬別，PCISIG也不可能一一規(guī)定得清清楚楚，所以這就需要對(duì)各個(gè)總線規(guī)格的技術(shù)特征要有深入的了解，確定到底那條才是符合實(shí)際系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)。不只是PCI Express，光纖通道(Fiber Channel)、Infiniband、千兆以太網(wǎng)、1394b、USB等信號(hào)的測(cè)量也有同樣的問題。
--- 對(duì)于任何總線或是信號(hào)的測(cè)試，首先要對(duì)其所用的技術(shù)規(guī)格非常熟悉，一個(gè)經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師只需要看技術(shù)規(guī)范，就能大致找到測(cè)試方法，當(dāng)然有的時(shí)候需要配置完備的儀器才行。
--- 首先來看眼圖的測(cè)量，要測(cè)試眼圖就得先找到規(guī)定的眼圖的模板，也就是Eye Mask。各個(gè)技術(shù)規(guī)格都會(huì)有明確的規(guī)定，工程師可以從技術(shù)規(guī)范中找出眼圖模板的規(guī)格，在測(cè)試儀器上(如示波器)按照規(guī)格進(jìn)行編輯眼圖模板，圖1是光纖通道標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定不同的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的不同的眼圖模板。一般來說，儀器廠家都會(huì)有已經(jīng)做好的模板文件，只需調(diào)用就行了，當(dāng)然工程師一定要去對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)檢查一下，儀器廠商有時(shí)候提供的也不一定是正確的，會(huì)浪費(fèi)用戶的很多時(shí)間。至于接下來的測(cè)試就簡(jiǎn)單了，只需要把測(cè)試信號(hào)接到儀器上就行了，或是直接點(diǎn)到測(cè)試點(diǎn)上，或是通過專用的測(cè)試夾具，或是通過輸出的接口等。
-- -現(xiàn)在的高速串行總線采用8B/10B編碼已是潮流，還有預(yù)加重(Pre-emphasis)，去加重(Deemphasis)，嵌入式時(shí)鐘等都是比較重要的概念。
-- -在測(cè)試的過程中，怎么樣抓取所需要的信號(hào)是個(gè)關(guān)鍵，比如PCI Express、光纖通道等測(cè)試就顯得很簡(jiǎn)單，它會(huì)自動(dòng)發(fā)出一連串的Compliance pattern供測(cè)試用。但是對(duì)于以太網(wǎng)、1394等，就沒有那么簡(jiǎn)單了，這需要各個(gè)芯片廠商的支持才行，用戶需要從芯片廠商那里獲取如何開啟芯片的寄存器，使芯片進(jìn)入所謂的測(cè)試模式(test mode)，發(fā)出想要的圖案(pattern)或是數(shù)據(jù)包(package)，這樣就能抓取想要的信號(hào)，從而驗(yàn)證它的品質(zhì)了。
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說到抓取信號(hào)，當(dāng)然離不開儀器探頭之類的東西了，但是對(duì)于不同技術(shù)規(guī)格的信號(hào)，應(yīng)該有不同的選擇要求，如帶寬、上升時(shí)間、靈敏度、采樣率等，這些可以跟儀器廠商聯(lián)系，他們會(huì)有一些解決方案，但是這些基本的東西需要用戶自己掌握，因?yàn)楹芏鄿y(cè)試儀器的價(jià)格可是不菲的。
---  當(dāng)工程師抓取到信號(hào)時(shí)，就可以測(cè)試了?，F(xiàn)在很多儀器廠商會(huì)提供一些傻瓜式應(yīng)用程序，只需用戶單擊一下run或是start，就可以幫用戶完成大部分測(cè)試，并且還會(huì)自動(dòng)生成報(bào)告。但工程師也不能過分依賴儀器廠商，一來這些應(yīng)用軟件很多時(shí)候并不是免費(fèi)的，而且還價(jià)格昂貴，二來儀器廠商也不是萬能的，有的時(shí)候，有的參數(shù)還得靠自己一個(gè)一個(gè)去測(cè)量，其實(shí)這才是體現(xiàn)工程師價(jià)值的時(shí)候。下面就以光纖通道信號(hào)的測(cè)試作為實(shí)例簡(jiǎn)單介紹一下。
--  -測(cè)量信號(hào)為Fibre Channel(FC)，信號(hào)的速率為2.125Gbps。根據(jù)信號(hào)速率，選擇了一臺(tái)7GHz帶寬，20GSPS采樣速率的實(shí)時(shí)示波器Tektronix TDS7704B。探頭為為5GHz帶寬的差分探頭P7350，注意，示波器里面必須具有CDR(clock distract recovery)模塊，因?yàn)檫@些高速串行總線的時(shí)鐘都是嵌入在數(shù)據(jù)中，所以需要CDR去從數(shù)據(jù)中恢復(fù)出時(shí)鐘信號(hào)，這樣才能去采樣信號(hào)。還有一個(gè)就是實(shí)時(shí)串行數(shù)據(jù)分析軟件，如泰克的RT-eye軟件。

目前這個(gè)軟件可以完成光纖通道信號(hào)大部分的測(cè)試項(xiàng)目，如眼圖、抖動(dòng)、上升時(shí)間、下降時(shí)間、eye height、eye width、Jitter@BER、Dj、Rj、eye opening@BER、速率、UI，還可以畫浴盆曲線、統(tǒng)計(jì)圖、直方圖等。圖2為實(shí)際2.125GHz光纖通道信號(hào)的測(cè)試結(jié)果，圖3是2.5GHz的PCI Express總線信號(hào)的測(cè)試結(jié)果。
--  -在這里要提醒的是以下幾點(diǎn)，一是圖案長(zhǎng)度的設(shè)置，二是圖案類型的選擇，三是鎖相環(huán)濾波器帶寬的選擇，四是BER要求的數(shù)據(jù)量。 

參考文獻(xiàn)
1 PCI Express Base Specification Revision 1.0a. PCISIG. April 15. 2003
2 FIBRE CHANNEL PHYSICAL INTERFACES (FC-PI-2). NCITS working draft. July 11.2003
3 InfiniBand Architecture Specification Volume 1. Release 1.2. Sept. 2004