h_s的日志

下一代高速数字系统测试解决方案

已有 402 次阅读 2009-12-23 15:14

高速串行技术的应用已经非常普遍，无论是在消费电子领域、PC行业还是在通信行业中，都可以看到不同的高速串行标准。PCI-Express、SATA等经典的高速接口为我们提供了非常高的数据传输速率，而USB提供了非常好的外部接口支持。在多媒体显示方面，有HDMI、Disply Port等非常优秀的串行接口。测量行业也是根据高速串行技术的发展趋势而发展的，各个规范定义了整个测试系统测试的核心内容，比如对发射机的测量、对接收机容限的测试，传输路径以及电缆等都会被写入测试的规范要求中去。因此不管是对市场定位还是项目研发，我们都需要对串行技术的背景、技术特点等进行深入的了解，从而加快产品的上市速度。

从整个系统工程角度来讲，更短的开发周期，即以市场为导向的新技术的开发与应用，是我们面临的第一大挑战。在研发阶段，单纯的仿真不能预测所有系统存在的问题，必须在后期进行产品的调试和测试来保证产品的质量；从设计人员角度来说，传输速率的升高意味着信号传输的带宽有很大的提升，就会出现串扰、EMC等问题，因此很多时候需要有一套独特的信号完整性传输方法，实现某种速率下信号传输的要求。此外，最终产品必须通过严格的工业一致性测试要求，才能把它推向市场。

对于高输出信号的设计挑战有哪些呢？所有的问题都和一个问题相关，那就是信号完整性问题，包括串扰、EMI、抖动、反射、封装噪声、时滞和静电。除了要了解信号完整性的问题，还要注意信号测试的保真度的问题，即如何用示波器客观的反映信号的存在。如果测试信号没有真实的反映系统本身的性能的话，会为后期的验证带来很多的疑惑和困扰。

对于测试人员来说，如何选择合适的测量设备、如何探测被测信号、能否看到电路真实的运行状况、能否定位或隔离故障现场，以及如何分析产生故障的原因等，都是他们需要面对的问题。

进行高速数字电路测试的关键要素包括信号的高频能量不能缺失、仪器信噪比决定测量保真度、便捷灵活的探测、瞬态信号的观测与隔离、串行信号实时解码以及高效准确的信号分析功能。这对于整个系统的噪声性能来说是一个非常苛刻的要求。对于高速的数字信号来说，噪声会减小被测信号幅度裕量，同时会导致额外的抖动。实际上，噪声往往是仪器的综合性指标，它涉及到放大器的信噪比、ADC的动态有效位(ENOB)等，都是要通过仪器进行仔细核对的问题。

我们通常需要利用普通探头进行调试，但由于现在的测试比较复杂、测试点比较多，因此需要很快速的测试方法。另外由于信号的多样性，对同样的信号对可能需要不同的探头来进行测试。如果我们是要进行验证或一致性测试，大多数情况下我们是不需要探头的，而是用一些夹具或高频电缆，直接将信号馈入到示波器中，这种情况下，信号的保真度是最好的，但是它没有探头灵活。探头的优点是灵活，但是由于其负载效应，必然会对信号造成损害，两者之间存在矛盾。

由于外部仪器对信号的捕获每次都是一个窗口，但时间是连续的，在窗口和窗口之间就会有一段漏失，通常外部仪器的漏失会比我们采集的有效时间长上千倍甚至上万倍，如果我们要看这种概率非常小的事件时，传统的仪器是非常慢的。也就是说，我们需要大量的事件来花在捕获的问题上。所有如何了解信号的真实情况，是非常制约我们调试效率的问题。

广义上来说，任何和时间相关的测试都可以被归结为抖动测试，不同的抖动的含义和测量方法都是不一样的，我们在测试时一定要明确这个测试用哪种抖动方式描述更加精确。抖动测试比较复杂，主要体现在参数设置方面，我们需要用软件设计相关的时钟恢复参数。示波器硬件性能决定抖动测试精度，其中抖动噪底(Jitter Noise Floor)决定测试系统能够测量到最小的抖动，增量时间精度(Detla Timing Accuracy)决定了测试系统能够测量抖动的精度。采样率越高，精度越高。抖动分析建模包括频域分析法和Dual-Dirac法。影响抖动测量精度的原因有采样率、垂直档位、样本数等。抖动的测试行业标准是Fibre Channel MJSQ (Methodologies for Jitter and Signal Quality)。

图1 信号传输过程

图1中，如果我们在接收端芯片的Pin脚区来看这个信号，其实没有任何意义，因为在该点信号已经被干扰的非常严重，它的眼图已经完全模糊。这个干扰主要来自于信号走线本身的损耗、介质的损耗、信号本身的走线链路带宽，以及信号被周边信号影响的程度。所以我们在接收端一般看到的信号都不会太好，甚至完全看不到眼图。但是为什么我们整个系统还能正常的通信呢？谜底就在于测量电路的均衡上。因此，只有均衡后的信号质量才是有意义的测试点。

表1 高速串行接口性能参数

DPO/DSA70000B示波器

图3 Tektronix公司全新的高性能数字荧光示波器DPO70000B系列（左）和串行数字分析仪DSA70000B系列（右）。

Tektronix公司的DPO/DSA70000B示波器是噪声极低的示波器，具有四通道20GHz带宽和50GS/s的四通道实时采样速率。同时提供5Gbps的基于硬件的串行触发、丰富的串行分析软件工具集（Serial Data Link Analysis (SDLA)）和全新构架的一致性测试软件集（构架在DPOJET平台）。该示波器拥有最先进的探头设计理念，采用Tektronix公司推出最新4GHz、6GHz TriMode 探头，据称是目前业内唯一的20GHz带宽的探头。