直接合成方法簡化串行數據接收機極限測試

多年來，寬同步并行總線一直是在數字設備之間交換數據的既定的實現技術。但是，定時問題一直“折磨著”較高時鐘頻率和數據速率的并行總線，嚴重地限制了它們滿足服務器和圖形系統中更高速計算結構需求的能力。在過去幾年中，串行總線技術的普遍實施變革了計算行業。串行總線只發送一條碼流，“自行獲得時鐘輸入”，從而消除了與并行技術有關的定時偏移。在串行傳輸中，同步遠不是什么問題，解決了對整體吞吐量的結構限制。結果，串行數據速率已經提高到1Gb/s以上，當前實現方案已經接近3～6Gb/s。但是，隨著幾千兆位的串行數據速率在數字系統中日益常見，信號完整性、也就是集成電路正確運行必需的信號質量正成為設計人員擔心的首要問題。數據流中的一個壞碼就可能給指令或交易輸出帶來巨大的影響。

串行數據設計的測試流程正隨著數據速率的提高而演變。幾乎所有串行標準(如PCI Express或串行ATA)的標準機構都出版了一套推薦的測試規范。隨著數據速率超過1Gb/sec，標準開始重視接收機極限測試，把它作為高速串行設計成功進行互通的一個關鍵檢查點。隨著位判定容限變得越來越精確(使用皮秒和微伏度量)，設計環境在遇到噪聲、抖動、串擾、分布式電抗、電源變化和其它問題時，可能會給接收的信號帶來巨大的代價。

為有效測試高速串行接收機極限，必需以于真實情況一致的方式“重建”上述信號，確定接收機能否以預測的精度水平管理位判定。為什么要使用模擬波形表示數字數據呢?這是因為數字信號下面是模擬事件。教科書上數字信號的零上升時間和完美的平頂都是虛構的，實際環境中的數字“方波”很少類似于理論值。模擬波形信號源的優點是能夠統一仿真這些不理想的模擬特性。

為進行接收機極限測試生成重建信號的技術稱為直接數字合成技術。該技術是1971年出版的一篇IEEE論文中闡述的工程設計方法1，允許工程師創建信號，體現通過傳輸線傳播時的效應。上升時間、脈沖形狀、延遲和畸變都是可以控制的，這正是嚴格的串行總線測試所要完成的工作。

直接合成技術是一種基于采樣的技術。示波器從模擬波形中采集樣點，直接合成信號源或任意波形發生器(AWG)則從樣點中創建模擬波形。其輸出與串行數據總線一樣，表示為一個數字數據集合。AWG存儲器中的樣點基本上可以定義任何波形，包括數字脈沖。當然，物理學和帶寬的限制仍然適用，但在規定范圍內，AWG可以象440Hz樂譜一樣生成5Gb/s串行數據包。新一代AWG(參見圖1)正在出現，其能夠以當前串行總線中常見的高數據速率傳送信號。

新型儀器提供了高達20 GS/s的采樣率，擁有多個輸出及充足的存儲器，可以支持長碼型序列。這種新技術可望變革串行測量，特別是在接收機一側。

例如，可以采用直接合成方法，在串行碼流中插入抖動，確定其對接收機行為的影響。抖動是一種信號完整性現象，其一般會“弄臟”邊沿位置，使眼圖張開程度變窄。工程師一直使用傳統碼型發生器測試接收機極限，傳統上抖動插入一直通過數據發生器(DG)平臺進行管理，其也稱為定時／碼型發生器，長期來一直是串行測量的支柱，包括接收機抖動容限測試。下面將比較DG和碼型發生器方法與采用直接合成技術的新興方案。圖2是在接收機上進行抖動測量的典型測試設置。它說明了提供同時包含隨機抖動和確定性抖動的數據碼型所需的設備。

這種方法要求在測試套件中調節抖動和噪聲成分，在DUT中引入特定數量的總抖動，直到其開始傳送錯幀或誤碼。它測量抖動幅度，確定器件是否滿足規范。設備配置的目標是代替實際環境中的系統組件，生成最終用戶應用中預計會遇到的任何類型的抖動。

接收機的基礎結構進一步提高了這一測試設置的復雜性。針對串行ATA2等標準進行的接收機極限測試要求DUT進行帶有特定幀信息結構(FIS)的內置自檢(BIST)。串行收發機(包括發射機、接收機和SERDES單元)設計成在收到特定BIST-L(環回)幀序列時進入專用環回模式。在器件處于這種模式時，發射機會回復已經收到的信號。

從歷史上，BIST指令一直由運行為該目的設計的應用軟件的外部PC提供。遺憾的是，一BIST源斷開連接，大多數收發機會切換出環回模式，返回正常操作，因此不可能運行測試。解決這一挑戰的傳統方式是通過電源組合器把BIST命令輸送到DUT。電源組合器的另一個輸入連接到信號發生器上，信號發生器提供測試數據流，如圖2所示。通過在測試電路中使用電源組合器，一旦激活環回模式，數據發生器可以開始把測試數據推動到DUT，而不要求斷開連接。電源組合器是一種可行的解決方案，但有自己的缺點。很明顯，它提高了復雜性，給連接錯誤、不良電氣接觸和其它機械問題帶來了又一個可能性。它還需要校準所有輸入源，保證正確引入抖動成分。最重要的是，電源組合器使數據信號電壓衰減達50％。通過提高數據發生器的輸出幅度，通常可以解決這個問題，但儀器性能總是有限的。此外，提高幅度不可避免地會提高噪聲，進而可能會提高失真。

采用AWG的直接合成方法簡化了這些復雜性。通過使用AWG，可以創建一個模擬波形，仿真進行極限測試所需的抖動幅度。此外，BIST指令集可以編碼到波形中，激活DUT。這只是使用AWG和直接合成技術可以完成的多種任務的一部分。為正確創建波形，必需提供相應的工具，捕獲、編輯和驗證進行成功極限測試所需的關鍵波形。

傳統上，波形編制一直使用基礎建模工具完成，如TheMathworks的MatLabs。盡管這些工具對大多數開發項目仍至關重要，但串行數據的特定標準特點創造了新的需求，要求軟件能夠從協議層查看信息，并轉換成可執行的波形文件。如泰克最近推出的RFXpress，它可以基于WiMedia查看協議層，適合創建／編輯波形。通過這種強大的新型工具(參見圖3)，特定標準設計工程師能夠創建特定碼型波形，為抖動和DUT通信等其它單元奠定基礎。

隨著數據速率不斷攀升，高速串行設計驗證正把更多的重點放在接收機極限測試上。測試設置復雜性與實際環境信號可變的模擬特點，需要改進的測試技術。隨著最近高速采樣率任意波形發生器的問世，能夠使用直接合成技術完成極限測試已經引起了業界的注意。泰克AWG7000任意波形發生器擁有適當的波形編輯工具或波形庫，能夠生成不理想的信號或回放捕獲的實際信號，包括信號噪聲、抖動、預加重和去加重及高達10-Gb/sec的多電平信號。此外，泰克網站上提供了為測試各種高速標準而創建的豐富的波形庫3(如SATA，WiMedia，高速USB，以太網)。