测试高速串行总线面临哪些挑战？如何应对这些测试挑战？

　　引言：当今由于电子产品对数据吞吐率要求越来越高，这使得信号传输速率也越来越高且往往需要多个通道同时传输，这给测试带来了很大的挑战。
　　当今由于电子产品对数据吞吐率要求越来越高，这使得信号传输速率也越来越高且往往需要多个通道同时传输，这给测试带来了很大的挑战。首先，测试系统本身的带宽需要足够高；其次，高带宽通道的数量也需要足够多，且通道之间的失序一致性也要求足够的精确。另外，还需要具备多通道的分析能力以描述多个通道之间的串扰，噪声，眼图，抖动等。本文将主要分析这些挑战以及Teledyne LeCroy（力科）有哪些解决方案来应对这样的挑战。
　　一、高速串行总线的特点及测试挑战
　　近几年来，移动通信和云计算的发展正在驱动着更高数据吞吐量的需求，为了满足这种需求，诞生了很多新兴的技术标准，如：PCIe Gen3，40/100 Gbase-R，SAS3等；这些高速串行总线具有如下特点：
　　1、更高的速率，如40/100 Gbase-R单通道数据速率高达28 Gbps；这要求测试系统（如示波器）具有更高的带宽，对于一个28Gbps信号，如需要测量到3次谐波，则需要42GHz带宽；如需要测量到5次谐波，则需要70GHz以上的带宽。
　　2、多通道架构-并行化串行传输-传输密度更高，如PCIE3.0，最多可以支持32个通道，每个通道的速率达到8Gbps；当前已经成熟的100G光通信采用了四路调制信号并行传输的方法，每一路速率都达到28Gbps。多通道数据传输需要测试仪器能够进行多通道的分析。
　　3、高速率、多链路情况下，串扰问题更加突出。
　　4、多链路间的时序匹配要求更高，如上图2 100G光通信中的四路28Gbps信号采用了DPQPSK双偏振正交相移键控，四路信号间需要有非常严格的时间同步，以保证精确的进行调制与解调。这要求测试仪器不仅具有多个通道，而且通道间需要保持精确的同步。
　　本文下一页：如何应对这些测试挑战（1）
　　二、如何应对这些测试挑战
　　1、高达100GHz的高带宽、多达80通道的模块化示波器
　　Teledyne LeCroy（力科）公司的高带宽模块化示波器能够实现：高带宽、高带宽多通道、高带宽多通道之间的精确相位同步。该系列示波器（LabMaster 10Zi）采用了多项创新技术，如图1所示，包括最新的8HP锗化硅 （SiGe） 芯片组技术（实现单通道模拟带宽36GHz）；数字通道复用技术 （DBI）专利技术，此技术突破了芯片级的带宽限制，是力科的第7代成熟的DBI专利技术，当前能够将示波器带宽延伸到100GHz；通道同步专利（ChannelSyncTM ），精确的同步最多20个采集模块，高达80 通道 @ 36 GHz，高达40 通道 @ 65 GHz，高达20 通道 @ 100 GHz。
　　该系列模块化示波器不仅拥有足够带宽以实现28Gbps及以上高速信号的测量，而且其模块化系统架构能够实现多个通道的高速信号的精确同步测量。力科LabMaster10Zi的通道同步架构具备两个非常重要的特点：1）每个采样模块的参考时钟来源于主控模块。一个专门的时钟分布网络ChannelSync，直接把10GHz时基时钟分配到每个采集模块，整个系统只有一个时基电路。ChannelSync采用了高稳相电缆，对信号的保真度高。并且由于时基时钟频率高、摆率大，因此受幅度噪声的影响小。2）所有模块的每个通道都由主模块的触发电路控制，即使这个触发电路有触发抖动，也不影响通道之间的相对时序关系。因此，多通道LabMaster本质上就是一个单台示波器，同步精度大大优于多台示波器通过级联方式实现的多通道示波器系统。
　　
　　图1：高带宽模块化示波器系统中的专利技术
　　本文下一页：如何应对这些测试挑战（2）
　　2、新一代多通道同步分析的串行数据分析软件SDAIII
　　多链路的高速串行数据不仅需要足够高的示波器进行精确的采集，对采集到的数据还需要有能力进行分析和处理，查找可能存在的一些根源。Teledyne LeCroy的SDAIII串行数据分析软件除了能够实现传统的眼图、抖动等项目测试以外，其突出的特点是能够同时进行4个通道+一个参考通道的高速信号分析，而且能进行噪声和串扰分析，并集成了虚拟探测和眼图医生的仿真测试功能。图2所示为SDAIII的流程图式的界面。
　　
　　图2：SDAIII框图
　　利用SDAIII可以实现三种情形的串行数据分析：（1）多条链路间的分析；（2）同一链路上不同节点的分析；（3）同一链路上同一节点不同情形的分析（如实际测量结果，施加预加重，使用CTLE均衡，使用DFE均衡等测量结果的对比），三种情形和测试结果如图3所示。
　　
　　图3：SDAIII实现多种情形下的分析
　　本文下一页：如何应对这些测试挑战（3）
　　3、12端口信号完整性网络分析仪SPARQ
　　对于高速信号，串扰的影响已经不可忽略。频域S参数的测量是衡量串扰大小的一个很好的方法。而对于具有多个端口的串行数据链路，则需要多端口的网络分析仪，传统的VNA（矢量网络分析仪）会非常昂贵，Teledyne LeCroy（力科）针对信号完整性领域的频域参数测量特点，专门开发了这款S参数测量仪SPARQ（图4），相对于传统的VNA，具有一系列优秀的特点：
　　（1）一键式操作即可快速完成S参数的测量；
　　（2）内置OSLT 自动校准，不需要手动的连接和断开， 也不需要昂贵的ECAL自动校准件，不必再担心校准件丢失或者损坏；
　　（3）可输出完全符合仿真格式的S参数，具有passivity（无源性），reciprocity（互操作性） 以及causality等（因果性）物理特性增强功能，S参数中包含了DC 点；
　　（4）包括频域和时域结果显示，不仅包含标准的单端和混合模式S参数测试结果，也提供阶跃响应，脉冲响应，阻抗和阻抗系数等时域测试结果，时域结果显示更加直观，有利于调试测试中遇到的问题；
　　（5）自动去嵌到DUT的测试参考平面，通过基于S参数的方法消除线缆，适配器以及夹具对测量结果的影响；
　　（6）固有的TDR/TDT能力：TDR/TDT 的工作模式有助于快速的核查和调试测量中的问题；
　　（7）小巧，轻便，基于PC， 且使用非常方便。
　　
　　图4：12端口SPARQ
　　本文下一页：25Gbps信号经过背板后的实测
　　三、25Gbps信号经过背板后的实测及均衡处理
　　图5所示为一个实测的25Gbps信号，从信号源输出的眼图很好，但是经过20inch背板后眼图已经完全闭合，经过预加重和均衡后眼图得到了改善，而且通过SDAIII多眼图分析能力，我们可以非常清楚的观察和对比预加重和均衡对闭合眼图的改善效果。由于SDAIII集成了通道仿真、预加重、均衡等仿真功能，因此我们可以将力科的SPARQ（用于分析和测量S参数）和示波器整合到一起形成一套更加完善的信号完整性分析解决方案。
　　
　　图5：25Gbps信号实测及经过背板后和施加预加重均衡后的眼图效果