信号性分析基础系列之十九-高速串行信号接收机测试

背景网络、多媒体、移动通信对提高数据吞吐率的需求与日俱增，推动计算机和1图1主流高速串行标准演进图数据率越高，信道趋肤效应和介质损耗对信号质量的影响越严重，在时域上表现为：边沿变缓，码间干扰加剧，抖动增加。通常使用眼图来评估高速信号质量。下图是三种速率的信号在发送端和接收端分别测得的眼图。可以明显看出，速率越高，接收端的眼图闭合程度越小。能否在接收端正确检测出受损的信号，是高速收发器芯片设计者面临的挑战。图2不同速率信号的失真程度在以往的高速串行信号一致性测试标准里，一般都要求测试发送端性能，比端已经不能保证高速链路能按预期性能正常工作，必须对接收机性能也进行测试。USB、PCIExpress3.0SATASAS接收机测试原理在发送器测试中，通常利用示波器直接测量输出信号的幅度、上升/下降时间、眼图和抖动，从而评估发送器的驱动能力、预加重、参考时钟稳定性等各项性能。在接收端，典型的接收机芯片框图如下：图3典型接收机内部框图它包含信号检测（放大，均衡）基于锁相环（PLL）的时钟恢复判决电路（并转串，线路码解码对接收机性能的测试实际就是对以上三个主要部件的性能测试：可以识别出多小幅度的信号，即接收灵敏度时钟恢复电路中的锁相环能否去除低频抖动能够正确识别出带有多大抖动的数据，即抖动容限不像发送端可以直接测量被测件（DeviceUnderTest，DUT）DUT程度的“干扰”，测试接收机的表现。这种仪器一般是误码率测试仪（BitErrorRateTester，BERT）。简单的的比例来衡量接收机芯片的性能。在功能上，误码率测试仪包括数据发生（PatternGernerter）和错误检测（ErrorDetetor）励，后者检测响应。图4误码率测试仪工作原理框图DUT5PatternGeneratorDUT。DUTDUT5DUT回环连接DUT一般有两种回环模式：1）外部BERT（或称RetimedLoopback）图6外部BERT测试框图DUTRXBERTTXBERT的数据2）内部BERT7BERT测试框图DUTBERTDUTBERT如前文所述，误码率测试仪能够在激励信号中注入一定程度的“干扰”，并且“干扰”的特征参数可以定量调节，这些“干扰”包括：信号幅度信号从发送器输出，经过信道到达接收端，幅度可能衰减以至于接收机无法图8接收灵敏度测试结果图预加重(Pre-Emphasis)后的幅度符合预期。下图是一个预加重信号的眼图。图9预加重后的信号眼图抖动与输入数据同相（严格讲相位差为固定常数），动变化太快时（即存在高频抖动时），（即周期抖动）和随机抖动的数据，从而评估接收机芯片的抖动容限。图10含有周期抖动的激励信号眼图图11（10-2USB3.0否符合标准。图11抖动容限测试结果图时钟扩频（SpreadSpectrumClocking，SSC）-PeRT3PeRT3Protocol-enabledReceiverandTransmitterTolerance的简写，即具备协议使能的接收机和发送器容限测试仪。包含EaglePhoenix两个系列，外观如下图：图12力科PeRT3PeRT3BERTPatternGeneratorErrorDetectorBERT具有的功能： USB3.0，PCIExpress，SATA，SASSuperSpeedUSB（USB3.0）PlatformInteroperabilityLab能够自动完成协议握手和DUT DUTDUTUSB3.0SKPBERTErrorDetectorBERTPeRT3SKPPCIExpressGen3（DynamicEqualization）测试除了可以测量误比特率，还可以测量误帧率（FrameErrorRate），记录协议层的错误。如果配合示波器使用，PeRT3计者凭借这些测试验证工具，可对其高速收发器的设计充满信心。参考文献DavidLi.Recei