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30GHz示波器助推高速串行信號測試邁入新時代

發(fā)布時間:2009-10-09

中心議題:
  • 高速串行信號帶來的測試挑戰(zhàn)
  • 高速串行數(shù)據(jù)分析方案
  • 信號完整性分析方案

高速串行信號帶來的測試挑戰(zhàn)

消費者對通信和計算機產(chǎn)品的要求越來越高,不斷提升的速度、不斷增長的容量,但卻不能成正比變化的價格,成為用戶決定是否掏錢購買新款產(chǎn)品的基本要求。這些來自終端客戶的需求通過產(chǎn)業(yè)鏈逐級傳遞到產(chǎn)品研發(fā)工程師對測試儀器的需求層面。能設(shè)計出超高數(shù)據(jù)傳輸速率的通信產(chǎn)品,就一定需要性能匹配的信號測試工具,否則無法保證最終產(chǎn)品的性能、質(zhì)量和一致性。

五年前,數(shù)據(jù)吞吐率在3.125Gb/s的通信系統(tǒng)背板只是停留在少數(shù)頂尖通信設(shè)備商預(yù)研階段的概念,2.5Gb/s的PCI-ExpressG1協(xié)議也只是售價昂貴的高端通信產(chǎn)品才具備的內(nèi)部互連總線。而如今,傳輸能力達6.25Gb/s高速背板已經(jīng)非常普遍的應(yīng)用在通信設(shè)備上,單對線吞吐率高達12Gb/s的串行背板總線在精湛的工程師手上也即將變?yōu)楝F(xiàn)實。

更高傳輸速率達5.0Gb/s的PCI-ExpressG2也早已是普通PC聲卡、顯卡的標(biāo)準(zhǔn)配置。而實際上,高達8Gb/s的PCI-ExpressG3總線標(biāo)準(zhǔn)也將在2009年正式面世,還有4.8Gb/s的USB3.0接口、6.4Gb/s的FB-DIMM存儲器架構(gòu),乃至10Gb/s的SerialRapidI/O串行協(xié)議等。

5Gb/s以上新串行協(xié)議層出不窮,面對這么高速的測試信號,需要全新的思維:因為測試儀器本身已經(jīng)構(gòu)成了工程師診斷問題的障礙,示波器主機、探頭、測試夾具、電纜對被測信號哪怕是一點點的破壞,也可能讓你得出與事實完全相反的結(jié)論,這不僅需要示波器具備更高放大器帶寬和采樣性能,而且能夠去除由于測試設(shè)備的引入而對被測電路帶來的負(fù)面效應(yīng);另一方面串行協(xié)議內(nèi)容越來越復(fù)雜,需要更高級的分析軟件和仿真模型來深入洞察問題的本質(zhì)。這兩方面催生工程師對測試設(shè)備的需求不斷提高,同是也給測試儀器廠商帶來巨大的挑戰(zhàn)。

為工程師提供匹配眼下乃至未來一段時間內(nèi)高速串行信號測試需求的數(shù)字示波器,降低工程師測試信號的難度和復(fù)雜度,讓他們把主要精力集中在產(chǎn)品設(shè)計上,而不是測試上,是具有領(lǐng)導(dǎo)地位的測試儀器產(chǎn)商不可推卸的責(zé)任。

                                  
                                              圖1QualiPHY串行協(xié)議一致性測試界面

滿足高速串行信號測試的高帶寬高采樣示波器WaveMaster8Zi系列示波器及串行數(shù)據(jù)分析儀,為工程師測試新一代高速串行信號提供了全面的解決方案。這款示波器的基本性能包括:最高達30GHz前端采集帶寬、最高達80GS/s的實時采樣率、最深達512Mpts的可分析波形內(nèi)存,大于15GHz的邊沿觸發(fā)帶寬、最長達80bit的串行觸發(fā)能力,以及標(biāo)配比傳統(tǒng)方法更精確的眼圖和抖動測量軟件包—SDAII,串行協(xié)議一致性分析集成化工具—QualiPHY,為分析高速串行鏈路信號完整性而量身定制的EyeDoctorII軟件包,這些示波器行業(yè)的多項創(chuàng)新設(shè)計為工程師分析從100Mb/s的百兆以太網(wǎng)到12Gb/s的高速通信背板信號質(zhì)量都提供了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。
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創(chuàng)新的高速串行數(shù)據(jù)分析方案

SDA8Zi串行數(shù)據(jù)分析儀基于WaveMaster8Zi系列示波器,標(biāo)配存儲器提高了一倍,可以捕獲眼圖中更多的單位間隔。同時擁有增強的高速串行碼型觸發(fā)功能,支持高達80位碼型,工作速度高達3.125Gb/s。

SDA8Zi標(biāo)配的串行數(shù)據(jù)分析平臺——SDAII功能非常全面,包括基于NQ-Scale技術(shù)的抖動分解方法及更精確的抖動分類工具,提高了工程師測量高速信號微小抖動的信心,也提供了更全面的洞察力,深存儲時的眼圖生成速度要比傳統(tǒng)示波器快20~100倍,可以在3秒內(nèi)捕獲、分析和顯示近100萬個PCIExpress單位間隔。

其他工具如IsoBER(由已捕獲的眼圖去推測更長時間的眼圖閉合情況)和模板違規(guī)定位器,可以簡便地了解復(fù)雜的問題。電纜補償功能可以去掉電纜失真影響,在高速眼圖上更準(zhǔn)確地測量定時和幅度。新推出的SDA8Zi分析儀同時標(biāo)配眼圖、時間間隔誤差、浴盆曲線、抖動直方圖及其他抖動分類分析等多個完整的視圖。使用QuickView(快速查看)功能,工程師可以快速“一鍵”了解到串行信號的全貌,包括眼圖和抖動的多角度視圖。

在一致性測試階段,可以對各種既定標(biāo)準(zhǔn)使用自動化QualiPHY軟件,如PCIe、SAS、SATA、HDMI、DisplayPort和XAUI。圖1所示為QualiPHY分析SATA一致性的操作界面,整個操作過程便捷,全面覆蓋標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測試項目,并能自動輸出美觀實用的測試報告。

創(chuàng)新的信號完整性分析方案

為了在最困難的測量環(huán)境中測試最快速的新興技術(shù),需要使用帶寬高達30GHz的示波器。在50ps上升時間或2.5Gb/s以下數(shù)據(jù)速率表現(xiàn)得不太明顯的測試挑戰(zhàn),在上升時間接近或變成小于25ps或信息速率超過5Gb/s時成為不可規(guī)避的問題。在這些速度下,工程師面臨著以前只限于微波頻域的信號完整性問題,如不理想的測試夾具和連接電纜的負(fù)載效應(yīng)會從被測電路中汲取能量,從而降低幅度和相位測量的保真度。

實現(xiàn)下一代高速串行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的工程師面臨著更快速、更復(fù)雜的信號挑戰(zhàn),與此同時,串行數(shù)據(jù)通道(互連、傳輸線、背板)速度并沒有同步提高,導(dǎo)致串行數(shù)據(jù)通道中的信號劣化問題。另外,新興串行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)如USB3.0,要求模擬(仿真)信號傳輸路徑,在所有用戶環(huán)境中都保證可靠的性能。最后,串行數(shù)據(jù)接收機硬件是為平衡信號劣化專門設(shè)計的,但工程師沒有任何途徑直接探測到SerDes接收端芯片內(nèi)部應(yīng)用了均衡優(yōu)化后的被測信號的性能,道理很簡單,因為沒有任何辦法可以將探頭伸入到芯片內(nèi)部。

解決方案是力科EyeDoctorII信號完整性系列工具,它提供了電纜和測試夾具反嵌功能、預(yù)加重和去加重建模功能、串行數(shù)據(jù)通道仿真功能和串行數(shù)據(jù)接收機均衡功能。EyeDoctorII能夠?qū)D2所示典型的串行鏈路進行建模并仿真各個部分對信號的影響:

                                  
                                                   圖2EyeDrII對應(yīng)的串行鏈路模型

                                   
                                             圖3EyeDoctorII對串行信號均衡仿真效果

WaveMaster8Zi支持對串行通道或測試夾具使用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的S參數(shù)描述,支持最多到16端口的信道模型,并將每個S系數(shù)以Plot的形式繪制在屏幕上,方便客戶多角度觀測信道質(zhì)量。獲得S參數(shù)文件的方法包括采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀或力科WaveExpert取樣示波器的TDR模塊,或采用專門的EDA仿真軟件。

對均衡器的描述有兩種方法:第一,有經(jīng)驗的工程師可以輸入均衡器內(nèi)部每個抽頭的準(zhǔn)確參數(shù);第二,只需輸入基本的信號參數(shù)如數(shù)據(jù)率、門限判別電平等,EyeDoctorII會訓(xùn)練出一套最優(yōu)化的抽頭系數(shù)。圖3是對芯片Pin測得已接近閉合的眼圖在均衡仿真后的眼圖,可以看出,對均衡后的信號做眼圖和抖動分析更有意義。
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