- 高速串行信號測試中的虛擬探測和均衡技術
- 使用Eye Doctor進行高速信號測試
- 在測試儀器內嵌入均衡技術來復現系統的真實性能
【摘要】在高于2.5G比特率的串行數據傳輸系統中，信號經過PCB長距離傳輸線、連接器、過孔，到達接收芯片引腳的測試點時，信號已經嚴重衰減，即使示波器與差分探頭的測試系統帶寬足夠高，很多測量結果基本沒有意義——因為眼圖已經閉合。而往往SERDES接收芯片內部集成了均衡器，以補償接收端信號的過大衰減，而信號經過均衡器處理后的眼圖張開度又如何？這成為高速信號測量的前沿且核心的問題。在示波器內部集成均衡器，讓客戶訂制濾波功能來仿真接收芯片的均衡特性，同時結合虛擬探測技術——顯然期望的測試點是在接收芯片內部，探針無法觸及——是目前高速測試的解決方案之一。本文是中興通訊EDA高速實驗室以三大示波器廠商之一的LeCroy示波器為例，簡單介紹高速串行信號測試中的虛擬探測和均衡技術。
【關鍵詞】高速串行信號，LeCroy示波器，虛擬探測，均衡技術，Eye Doctor
1. 引言
在高速serdes系統中， PCB的長距離傳輸線、連接器、過孔的阻抗不連續等因素對信號造成很大衰耗，比如6.25Gb/s的信號在FR4上走25英寸或者更遠之后的眼圖已經無法張開，為了解決這種衰耗問題，往往有兩種方法，一種是在發射端使用預加重技術，一種是在接收端使用均衡技術。
由于在SERDES接收芯片內部集成了均衡器，以補償信號的過大衰減，但是測試時，直接測量接收端的信號基本沒有意義，因為這根本無法代表接收信號的真實性能。在示波器內部集成濾波器，讓客戶訂制濾波功能來仿真接收芯片的均衡特性，是目前高速測試的解決方案之一。
中興通訊EDA高速實驗室作為公司的高速測試平臺，解決過E1業務板、以太網口、千兆光口、高速互聯系統等眾多問題，對均衡測試等前沿技術也進行了研究，本實驗室將以LeCroy的SDA6000A（帶寬6GHz，20GS/s）為例，介紹最新的高速串行信號虛擬探測和均衡技術。SDA6000A的虛擬探測和均衡分析工具叫Eye Doctor，它是一個集成在LeCroy示波器內部的功能強大的軟件包。
2. 使用Eye Doctor進行高速信號測試
一、Eye Doctor功能介紹
虛擬探測：
- 允許在系統的任何一個比較方便位置測試，然后反映出其他位置的波形。這些位置包括測試系統中不能探測的位置，比如芯片內部。
- 可以提高測試精度：把儀器、探頭、夾具帶來的影響去掉；在信號最強的地方（通常是發射端）進行測試，然后推算出信號較弱地方的波形，而在發送端測試有更高的信噪比，比直接在接收端測試效果更好。
- 使用通用的S參數作為模擬器的語言（S參數可以用矢量網絡分析儀或者仿真建模軟件提取）。
高速串行芯片往往嵌入了接收均衡器，通過示波器的均衡模擬技術復現信號，可以反映出系統的真實性能。
二、原理
1、 虛擬探測
圖1 虛擬探測原理
2、 接收均衡器
在高速數據傳輸中，為防止信號失真，通常有兩種方法：一種是發射端采用預加重（Pre-emphasis），另一種是在接收端使用均衡技術，其結構如圖2所示。
圖2 高速數據傳輸系統
- 預加重Pre-emphasis：為抵消傳輸通道的衰減，預加重通過加重任何信號變化后的第一個數據符號來對發射信號進行預失真處理，從而消除信道中脈沖響應的前沿過沖和后沿拖尾。
- 接收均衡器receive equalization：接收均衡器通過在接收端放大信號中的高頻分量來補償傳輸損耗，而低頻分量保持不變，讓信號眼圖張得最開。是預加重的一種替代或互補方案。
- 判決反饋均衡器Decision feedback equalization (DFE)：根據解碼數據改變信號的幅度，一個經典的判決反饋均衡器的結構如圖3所示。
圖3 判決反饋均衡器的結構
Eye Doctor的作用圖4所示：
圖4 Eye Doctor的應用例子
三、應用實例：
下面以中興通訊EDA高速實驗室的一個實際應用案例來說明Eye Doctor的應用。對圖5所示的一個高速背板互聯系統進行測試，信號經過連接器和背板，走線長度約為40In。
圖5 高速互聯系統
1、發送端信號波形和眼圖信號波形（圖6）：
圖6 發送端信號波形
眼圖質量很好，如圖7示：
圖7 發送端眼圖
2、接收端信號波形和眼圖信號經過背板和連接器，到達接收端，信號變差，眼圖變小，如圖8、圖9所示。如果不使用均衡技術，系統很容易出現誤碼，因此在高速接收芯片內部通常需要嵌入均衡器。
圖8 接收端信號波形
圖9 接收端眼圖
下面我們來看看用eye doctor虛擬探測得到的接收端波形，在探測過程中，需要把傳輸網絡的S參數輸入到虛擬探測器件里面（圖10）。該S參數EDA高速實驗室使用網絡分析儀加輔助子卡測試得到，如果實際應用時S參數不容易得到，也可以通過一些仿真軟件提取，EDA高速實驗室通常會使用SIwave、HFSS來提取S參數。
圖10 使用eye doctor進行虛擬探測
把虛擬探測波形和實際測試波形進行比較如下，可見吻合的相當的好（圖11），虛擬探測可以作為測試的重要輔助手段。
圖11 虛擬探測Vs實測波形：黃色為探測波形，青色為實測波形
4、均衡模擬器把經過背板的已衰減信號加到示波器的均衡模擬器上，查看經過均衡的信號眼圖。根據接收芯片實際情況，我們把FFE和DFE的抽頭數分別設為3和1，點擊Train，對均衡器進行訓練（圖12），就得到了均衡后的信號，其眼圖如圖13所示。
圖12 均衡器的設置
圖13 經過均衡的接收端眼圖
對比圖9可見，眼圖質量大大提升，這代表了系統的真實性能，在測試儀器內嵌入均衡技術已經成為高速測試的解決方案之一。注：眼圖顯示時看到波形切斷現象的解釋：
均衡算法時會對采樣點進行幅度的提升，使均衡后的波形與理想的波形（下圖中的decode的波形）相減后得到的差值最小。對于高頻的碼，為了補償其衰減，均衡后的波形可能在上升或下降沿出現比較高的類似于過沖的波形，眼圖顯示時可能會看到切斷的波形。
在本例中，中興通訊EDA高速實驗室通過使用虛擬探測和均衡技術解決了高速串行信號的測試問題。在高速數據傳輸中，往往采用均衡處理技術來擴展信號的傳輸距離，直接測量接收端的信號基本沒有意義，因為這根本無法代表接收信號的真實性能。在測試儀器內嵌入均衡技術來復現系統的真實性能，已經成為高速測試的重要解決方案。
Eye Doctor是LeCroy高端示波器的一個軟件包，它包含兩個功能：虛擬探測，均衡模擬。這是高速串行數據測試中非常重要的功能，有時候是必需的。
虛擬探測是高速測試中的一個新方法，可以做得相當準確，但需要系統的S參數，這并不容易得到，可以通過一些仿真軟件提取。
參考資料
1. （美） LeCroy Corporation，Eye Doctor Operator''''s Manual，2007年1月
2. （美） Leo Wong， Rambus公司，如何解決高速背板的信號完整性問題，2006
