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运用高效能脉冲产生器进行PCI Express接收器的设计验证

时间:2003-09-01 00:00来源:compotechasia.com 作者:admin 点击:
引言

数字通讯的蓬勃发展带动了芯片、功能性电路板和系统之间的高速互连需求,虽然数据是数字的,但设计人员选择的是模拟的低电压差动式信令(LVDS)方法来驱动这些高速的传输线。LVDS在速度、低耗电和噪声控制的效能上备受肯定,且具有成本方面的优势,因此在数据通讯领域的point-to-point应用中相当受欢迎。 

本文将以PCI-Express为例,介绍如何运用高效能脉冲产生器(如安捷伦3.35GHz频宽的81134A脉冲/数码产生器)进行Rx(接收器)的设计验证。首先,我们将介绍PCI Express Rx的设计验证需求,接着再说明所要进行的不同测试。

本文会特别介绍噪声和串音(cross-talk)量测的设置细节,并且会将重点摆在Rx端,因为Rx端的测试不像Tx(发射器)端的测试那样简单。对Tx端而言,可以很方便地接上一部示波器来直接量测信号,但Rx端则需要使用比较间接的方法。 

运作原理 

图1所示为整个运作的原理。PCI Express部份(也就是我们的待测物/DUT)将由一个训练序列(training sequence)信号来启始(initialize),这是一段特定的数据序列,可以激发设计的特定部份。当以这样的训练序列信号加以激发时,该Tx将会输出一个类似的序列信号作为响应。所响应的比特流(bit flow)是可以预测的,但是响应会在一段相当长的时间内出现,因此响应的时间是无法精确地预测的。 

这样的机制可用来量测Rx输入效能的特性。用来激发的训练序列信号可以在额定的条件(nominal condition)或压力(stress)的条件下送出,然后在输出端观察输出信号,看看响应的序列信号是否被正确地接收下来。只有在Rx输入端正确无误地收到激发信号时,响应的结果才会正确。加到激发序列信号中的压力条件可以是不同的位准和摆动(swing)幅度,也可以在共模(common mode)和差动模式(differential mode)下,将噪声和抖动加到信号位准上,以缩小眼图开启的大小。 

图1


设计验证/特性量测的设置方式

要分析所响应的训练序列信号是否正确,逻辑分析仪为最好的选择。逻辑分析仪可让您定义出预期数据的确实顺序,并且可以轻易地判断出是否出现了预期的数据顺序。 

若要产生激发用的训练序列信号,需使用一部可将相对应的数据序列加载内存中的脉冲/数码产生器,利用其可调整位准和时序的功能,产生额定的位准和时序信号,以灌入Rx输入端。此外,您也可以降低摆动幅度或是脉冲宽度到DUT停止正确动作的点为止。在函数产生器(像安捷伦33220A或33250A)的协助之下,可植入噪声和抖动,将信号做进一步的压力。下面的几个图会有更详细的说明。 

此量测设置方式还包含一部示波器(可使用Infiniium DCA如果信号是重复性的,或使用高频实时示波器像54855A),以便在Tx端进行信号完整性测试。此时,脉冲/数码产生器对测试PCI Express芯片很有用。

若要进行功能性测试,所提供的信号必须是干净的,而且信号的位准/摆动也要合乎额定的条件,也就是位准要超过标准所定的最低要求,而且没有噪声和抖动。因此,脉冲/数码产生器本身的准确度(如RMS抖动)是一个相当重要的考量。

进行压力量测时,会将位准/摆动的大小调到低于接收器的最低要求值的位置,只要逻辑分析仪再也侦测不到任何正确的响应时,该信号的位准就是Rx输入端无法再辨认的压力点。其它的压力条件包括加入噪声,可以是共模噪声或是差动噪声(也称为串音)。共模噪声是将噪声同时加到数据和互补数据(complementary data)中,而差动噪声或串音则是只将噪声信号加到其中一条资料线中。 

抖动调变可缩小时间轴上有效的眼图开启幅度,眼图开启的幅度愈小,Rx输入端就愈难撷取到正确的位,到了某个眼图开启的幅度,其输入频宽就不足以正确地解析出输入的序列信号了。 


图2 

图3 

图3b是依据PCI Express标准订定的规格所导出的设计验证/兼容性量测内容。 

这些量测包括: 
‧接收器电压:是一种依照眼图屏蔽条件所定义的额定输入信号位准所进行的功能性测试。 
‧抖动离群值(jitter outlier):是一种透过抖动调变所进行的压力测试(可称为Jitter Tolerance Testing),其抖动容许量(jitter budget)如4.3.4节所订。 
‧共模噪声(common mode noise):是一种将相同的噪声信号同时加到数据和互补数据在线的压力测试,噪声的大小如4.4.4节所订。 
‧串音:是一种只将噪声加到一条数据在线的压力测试,如4.3.3节所订。 
‧数据信道之间的延迟:是针对具有2、4、8、16等多个Rx输入的PCI Express装置所进行的一种压力测试,其压力条件为在数据信道之间,加入不同的时序不对称(延迟)时间。 

如何加入抖动 

若运用Agilent 81133/34A脉冲/数码产生器或Agilent ParBERT 3.35Gb/s产生器的话,抖动调变会变得简单许多。这两种仪器都内建有延迟控制的输入端,可以在函数产生器连接到该输入接头时,进行抖动调变。函数产生器的波形可以定义调变的类型,其振幅则可以定义眼图开启幅度的大小。 

Rx端的设计验证/兼容性量测 
图3b 

如何植入抖动(1) 
图4 

图5所示为抖动调变的三个范例: 
‧正弦波 
‧三角波 
‧方波 

每个波形下方所示的直方图乃是由不同调变类型所造成的抖动分布,方波调变可以模拟定量式(deterministic)抖动,若要模拟随机(random)抖动的话,则需要使用噪声信号源来进行调变。 

如何植入噪声 

所有的噪声都是以AM(振幅调变)的形式加到数据序列中。在函数产生器的协助之下,此噪声可以正弦波或方波或随机数信号的方式产生出来,透过连接到一般作为高速资料终端的电阻,可以做到AM调变,因此如果终端电阻的另一端(一般是终端到地)出现一个调变信号的话,此信号就会在Rx输入端加入到数据序列中。此处说明的是它的概念,有关这种调变的细节请参考下一张图。 

如何植入抖动(2) 
图5 

如何植入噪声(1) 
图6 

脉冲/数码产生器可以提供差动信号线所需的数据序列,若要植入调变信号的话,必须在两条信号在线加入功率分接器(power divider)。加入功率分接器有一个必要的条件是:介于产生器的输出和Rx输入之间的两条数据线的电气长度需保持相同。 

功率分接器是由三个电阻所构成,以确保在每个方向都有适当的终端,缺点是经过功率分接器会有50%的振幅损耗,因此对特定的摆动而言,脉冲/数码产生器的输出振幅设定要加倍才行。 

就共模噪声而言,需要以相同的信号来调变两条数据线,因此需要用到一个功率分接器,将噪声由函数产生器中分出来,这也要藉助于功率分接器来达成,如此一来,可以在两条数据在线,提供数据与互补数据线之间隔离得很干净的噪声信号。由于调变信号的功率会被分为两部份,因此用来进行驱动的函数产生器的振幅在Rx输入端要设定为超过所需之噪声底线的4倍才行。 

就串音量测而言,噪声信号只需出现在一条数据在线,因此只要在数据路径上的其中一个功率分接器,将调变信号断开就可以了。需特别注意的是,两个开端都要做适当的终端处理。有些函数产生器可能没有良好的逆向终端(backwards termination),在此情况下,可在函数产生器和功率分接器之间加入一个3 dB的衰减器,这样可以大幅提高逆向终端的效能。 

对具有两个输入的PCI Express而言,工程师会需要双通道的脉冲/数码产生器(如安捷伦81134A)。对具有4、8、16个输入的PCI Express而言,可运用具有多个产生器的81250 ParBERT(最多可达64个)。它可以控制多个通道间的时序不对称(skew),而且在个别的数据信道之间,可以调整距离开始处的延迟时间,或是透过脉冲/数码产生器以及81250 ParBERT中每个产生器所提供的延迟控制输入的协助,在激发序列信号产生期间,动态地改变延迟时间,可调整的范围是+/- 250 ps。 


结论

点对点的高速数字传输系统像PCI-Express,需要完整的发射器及接收器测试。一般来说,接收器端的测试不像发射器端的测试那样简单。对发射器端而言,可以很方便地接上一部示波器来直接量测信号,但接收器端则需要使用脉冲/数码产生器为激发源,搭配示波器量测发射器端的反应。文中我们提到了如何测试PCI-Express接收器的规格,以及如何植入抖动和噪声,测试产品的耐压能力。我们所提到的测试方法其实可以应用到任何接收器的测试。

(责任编辑:admin)
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