直接合成方法简化串行数据接收机极限测试

　　多年来，宽同步并行总线一直是在数字设备之间交换数据的既定的实现技术。但是，定时问题一直“折磨着”较高时钟频率和数据速率的并行总线，严重地限制了它们满足服务器和图形系统中更高速计算结构需求的能力。在过去几年中，串行总线技术的普遍实施变革了计算行业。串行总线只发送一条码流，“自行获得时钟输入”，从而消除了与并行技术有关的定时偏移。在串行传输中，同步远不是什么问题，解决了对整体吞吐量的结构限制。结果，串行数据速率已经提高到1Gb/s以上，当前实现方案已经接近3~6Gb/s。但是，随着几千兆位的串行数据速率在数字系统中日益常见，信号完整性、也就是集成电路正确运行必需的信号质量正成为设计人员担心的首要问题。数据流中的一个坏码就可能给指令或交易输出带来巨大的影响。

　　串行数据设计的测试流程正随着数据速率的提高而演变。几乎所有串行标准(如PCI Express或串行ATA)的标准机构都出版了一套推荐的测试规范。随着数据速率超过1 Gb/sec，标准开始重视接收机极限测试，把它作为高速串行设计成功进行互通的一个关键检查点。随着位判定容限变得越来越精确(使用皮秒和微伏度量)，设计环境在遇到噪声、抖动、串扰、分布式电抗、电源变化和其它问题时，可能会给接收的信号带来巨大的代价。

　　为有效测试高速串行接收机极限，必需以于真实情况一致的方式“重建”上述信号，确定接收机能否以预测的精度水平管理位判定。为什么要使用模拟波形表示数字数据呢？这是因为数字信号下面是模拟事件。教科书上数字信号的零上升时间和完美的平顶都是虚构的，实际环境中的数字“方波”很少类似于理论值。模拟波形信号源的优点是能够统一仿真这些不理想的模拟特性。

　　为进行接收机极限测试生成重建信号的技术称为直接数字合成技术。该技术是1971年出版的一篇IEEE论文中阐述的工程设计方法1，允许工程师创建信号，体现通过传输线传播时的效应。上升时间、脉冲形状、延迟和畸变都是可以控制的，这正是严格的串行总线测试所要完成的工作。
直接合成技术是一种基于采样的技术。示波器从模拟波形中采集样点，直接合成信号源或任意波形发生器(AWG)则从样点中创建模拟波形。其输出与串行数据总线一样，表示为一个数字数据集合。AWG存储器中的样点基本上可以定义任何波形，包括数字脉冲。当然，物理学和带宽的限制仍然适用，但在规定范围内，AWG可以象440 Hz乐谱一样生成5 Gb/s串行数据包。新一代AWG (参见图1)正在出现，其能够以当前串行总线中常见的高数据速率传送信号。

　　新型仪器提供了高达20 GS/s的采样率，拥有多个输出及充足的存储器，可以支持长码型序列。这种新技术可望变革串行测量，特别是在接收机一侧。

　　例如，可以采用直接合成方法，在串行码流中插入抖动，确定其对接收机行为的影响。抖动是一种信号完整性现象，其一般会“弄脏”边沿位置，使眼图张开程度变窄。工程师一直使用传统码型发生器测试接收机极限，传统上抖动插入一直通过数据发生器(DG)平台进行管理，其也称为定时/码型发生器，长期来一直是串行测量的支柱，包括接收机抖动容限测试。下面将比较DG和码型发生器方法与采用直接合成技术的新兴方案。图2是在接收机上进行抖动测量的典型测试设置。它说明了提供同时包含随机抖动和确定性抖动的数据码型所需的设备。

　　这种方法要求在测试套件中调节抖动和噪声成分，在DUT中引入特定数量的总抖动，直到其开始传送错帧或误码。它测量抖动幅度，确定器件是否满足规范。设备配置的目标是代替实际环境中的系统组件，生成最终用户应用中预计会遇到的任何类型的抖动。

　　接收机的基础结构进一步提高了这一测试设置的复杂性。针对串行ATA2等标准进行的接收机极限测试要求DUT进行带有特定帧信息结构(FIS)的内置自检(BIST)。串行收发机(包括发射机、接收机和SERDES单元)设计成在收到特定BIST-L (环回)帧序列时进入专用环回模式。在器件处于这种模式时，发射机会回复已经收到的信号。

　　从历史上，BIST指令一直由运行为该目的设计的应用软件的外部PC提供。遗憾的是，一旦BIST源断开连接，大多数收发机会切换出环回模式，返回正常操作，因此不可能运行测试。解决这一挑战的传统方式是通过电源组合器把BIST命令输送到DUT。电源组合器的另一个输入连接到信号发生器上，信号发生器提供测试数据流，如图2所示。通过在测试电路中使用电源组合器，一旦激活环回模式，数据发生器可以开始把测试数据推动到DUT，而不要求断开连接。电源组合器是一种可行的解决方案，但有自己的缺点。很明显，它提高了复杂性，给连接错误、不良电气接触和其它机械问题带来了又一个可能性。它还需要校准所有输入源，保证正确引入抖动成分。最重要的是，电源组合器使数据信号电压衰减达50%。通过提高数据发生器的输出幅度，通常可以解决这个问题，但仪器性能总是有限的。此外，提高幅度不可避免地会提高噪声，进而可能会提高失真。

　　采用AWG的直接合成方法简化了这些复杂性。通过使用AWG，可以创建一个模拟波形，仿真进行极限测试所需的抖动幅度。此外，BIST指令集可以编码到波形中，激活DUT。这只是使用AWG和直接合成技术可以完成的多种任务的一部分。为正确创建波要求软件能够从协议层查看信息，并转换成可执行的波形文件。如泰克最近推出的RFXpress，它可以基于WiMedia查看协议层，适合创建/编辑波形。通过这种强大的新型工具(参见图3)，特定标准设计工程师能够创建特定码型波形，为抖动和DUT通信等其它单元奠定基础。




图3 使用泰克RFXpress创建WiMedia波形

　　随着数据速率不断攀升，高速串行设计验证正把更多的重点放在接收机极限测试上。测试设置复杂性与实际环境信号可变的模拟特点，需要改进的测试技术。随着最近高速采样率任意波形发生器的问世，能够使用直接合成技术完成极限测试已经引起了业界的注意。泰克AWG7000任意波形发生器拥有适当的波形编辑工具或波形库，能够生成不理想的信号或回放捕获的实际信号，包括信号噪声、抖动、预加重和去加重及高达10-Gb/sec的多电平信号。此外，泰克网站上提供了为测试各种高速标准而创建的丰富的波形库3 (如SATA, WiMedia, 高速USB, 以太网)。