胡為東系列文章之三--高速串行信號的接收端測試
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圖3高速串行鏈路物理層的基本組成結構示意圖
那么當接收端接收到物理鏈路上接收到的數據后，接收端對數據的均衡效果怎樣？時鐘數據恢復電路能否準確的恢復出時鐘？以及解串器、8B/10B解碼器等是否工作良好等問題都可能會導致數據誤碼的產生，在高速串行數據測試中都需要分別進行檢測和驗證。如通過注入不同信號幅度的碼型來驗證接收端Amplifier/Equalization的最小電平輸入靈敏度，并通過設置不同的預加重來確定能夠補償通道失真的最優(yōu)的預加重設置，這個測試中需要具有能夠調節(jié)幅度和預加重設置的信號源并需要增加通道失真導致的ISI抖動；時鐘數據恢復模塊的測試則需要通過施加不同幅度的正弦抖動來驗證其工作范圍；對解串、8B/10B電路測試則需要通過施加信號的其他影響參數如隨機抖動、高頻正弦抖動、時鐘對齊符號碼等可能導致的問題。
對接收端性能的測試也通常叫做接收機測試。接收端測試的最主要的目的是驗證接收端的誤碼率是否滿足要求。
二、接收端測試的基本原理
接收端測試的基本原理是測試儀器（通常使用誤碼分析儀或者信號源和能分析誤碼的專用協議分析儀來完成）發(fā)出特定的碼型給被測接收端，接收端在Loopback模式下再將數據接收、恢復后通過其Tx端發(fā)送回測試儀器，由測試儀器完成其發(fā)出去的數據和接收到的數據的對比，從而分析出誤碼的數量，這種測量方法叫外部誤碼率測試（External BERT），此時被測件工作在重定時環(huán)回模式（Retimed Loopback）；還有一種是芯片內部自帶有誤碼檢測電路，接收端接收到數據后自行統(tǒng)計誤碼，然后將誤碼的數量反饋給測試儀器，這種方法叫做內部誤碼測試方法（Internal BERT），此時被測件工作Loopback BERT模式下；如下圖4所示，目前用得比較廣泛的是重定時環(huán)回測量方法。由于接收端測量和調試需要驗證不同條件下的接收端的特性，因此需要信號源能夠發(fā)出不同的碼型、調節(jié)輸出信號幅度、預加重、施加不同頻率、不同幅度的正弦抖動、隨機抖動等。
圖4內部誤碼測試方法和外部誤碼測試方法
三、接收端一致性測試和容限測試（抖動容限測試）的概念及區(qū)別
高速串行數據標準的規(guī)范通常會要求在某一特定測試條件下，接收端的各項指標需要符合一定的標準（最主要是抖動指標）。比如說USB3.0的規(guī)范就要求接收端一致性測試的環(huán)境設置條件如右邊表格所示，需要設定測試儀器輸出的碼型信號帶有規(guī)范要求數值的De-emphasis,RJ,SJ,Eye Height,TJ等參數，規(guī)范中將給出在這一環(huán)境下的抖動及誤碼率指標要求。表中的正弦抖動需要在不同頻點下進行測試以驗證CDR的性能。根據規(guī)范要求進行的測試驗證就叫做一致性測試（compliance test），其目的主要是為了驗證被測件是否滿足規(guī)范要求。測試結果如下圖5左圖所示，橫軸表示的是正弦抖動的頻率，縱軸表示的是正弦抖動所對應的幅度，當圖中的點均為綠色時說明測試結果是符合規(guī)范的，沒有誤碼發(fā)生。
一致性測試只能驗證測試結果是否滿足規(guī)范。事實上我們更需要了解被測件的實際容限有多大，這時候只需要將一致性測試中固定幅度的Sj改為在一定范圍內可變化的測量就可以測試接收端容限或者說抖動容限了，如下圖5右圖所示，不同頻點處（橫軸）的Sj的幅度在變化，每一個幅度都會進行一次測試，直到測試儀器檢測到誤碼為止，圖中出現紅色點的位置即表示系統(tǒng)開始出現誤碼，綠色點表示沒有出現誤碼，圖中黑色曲線是規(guī)范要求的指標，抖動容限即表示出現誤碼（紅色點位置）到規(guī)范要求的指標之間的差值。這一測試過程叫接收端容限測試。另外，如果系統(tǒng)有誤碼，測試儀器也會統(tǒng)計出誤碼的數量。通常高速串行數據規(guī)范要求測試誤碼率BER=10E+12的抖動容限指標及誤碼情況。
圖5接收端一致性測試和容限測試結果示意圖
四、接收端測試的難點
接收端測試的主要難點有：
1、如何能實現測試儀器與被測DUT的順利握手（這一點在Tx發(fā)送端測試的時候尤為重要，因為對于高速串行信號來說，往往需要測試不同類型的碼型，因此不僅需要誤碼測試儀器能夠發(fā)出不同碼型的激勵信號，同時為了快速自動化的測試，則需要測試儀器能夠自動的根據需要誘使DUT發(fā)出相應的碼型給示波器進行物理層測試，這需要測試儀器與被測DUT有非常好的協調和握手能力）。
2、如何讓DUT進入Loopback模式，因為接收端測試時需要讓DUT工作在Loopback模式下才能進行測試，讓DUT進入Loopback模式有兩種方法，一種是通過內部硬件編程的方法，另外一種是通過協議層級的握手；而很多板級的應用工程師無法做到讓DUT工作到Loopback模式下。
3、如何處理由于發(fā)送端數據和接收端數據由于時鐘速率不一致而插入的時鐘對齊符號碼（如USB3.0中的SKP信號）；在串行數據應用中，發(fā)送端和接收端通常是異步工作模式，兩者使用的不是同一個時鐘，這樣就可能導致發(fā)送端數據的參考時鐘和接收端數據的參考時鐘的速率不一致，如下圖6所示為接收端接收到測試儀器發(fā)過來的數據，當其工作在Loopback模式時，接收端會通過Tx將數據返回給測試儀器的示意圖。由于Tx使用的基準時鐘是板上的參考時鐘，而Rx使用的是從串行數據中的恢復時鐘，兩個異步時鐘的不一致可能會導致接收到的數據和發(fā)送出去的數據的不一致，從而導致誤碼的產生，這時候接收端芯片內部會有一個Elastic Buffer，這個Buffer會通過插入或者丟掉一些特定的符號碼（如SKP碼）來協調接收端時鐘和發(fā)送端時鐘的速率差異。如下圖7所示為USB3.0的Elastic Buffer插入和丟掉SKP碼的圖示，在USB3.0中，鏈路兩端的產品的參考時鐘頻率可能是不一樣的，參考時鐘允許的精度為+/-300ppm，SSC展頻引入的頻率偏差為0到-5000ppm，所以總的頻率偏差在-5300ppm到300ppm。為了補償頻率偏差，在USB3.0中的數據流中每354個symbol要插入兩個SKP（即K28.1碼），接收端需要能識別和刪除SKP，在USB3.0芯片中，添加和刪除SKP是由Elastic Buffer來實現的（詳見USB3.0 Specification的6.4.3節(jié)）。于是，在接收機測試時，PUT發(fā)送出的碼流會加入一些SKP，誤碼檢測器接收到的數據包括了測試碼型和一些SKP，然后對比碼型發(fā)生器發(fā)送出的測試碼型，傳統(tǒng)的BERT會誤認為測量到了誤碼。而力科的PeRT3可以智能的添加和刪除SKP后，再來計算是否有誤碼。
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