信号完整性分析基础系列之十九——高速串行信号接收机测试

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1、1.背景网络、多媒体、移动通信对提高数据吞吐率的需求与日俱增，推动计算机和通信技术不断突破速度极限。图1是当前主流计算机外设总线的速率演变情况。图1主流高速串行标准演进图数据率越高，信道趋肤效应和介质损耗对信号质量的影响越严重，在时域上表现为：边沿变缓，码间干扰加剧，抖动增加。通常使用眼图来评估高速信号质量。下图是三种速率的信号在发送端和接收端分别测得的眼图。可以明显看出，速率越高，接收端的眼图闭合程度越小。能否在接收端正确检测出受损的信号，是高速收发器芯片设计者面临的挑战。 图2不同速率信号的失真程度在以往的高速串行信号一

2、致性测试标准里，一般都要求测试发送端性能，比如输出电压摆幅、上升时间、抖动、眼图等。随着速率提高，仅仅测试信号发送端已经不能保证高速链路能按预期性能正常工作，必须对接收机性能也进行测试。USB3.0、PCIExpress3.0以及SATA和SAS规范已经明确要求进行接收机测试。2.接收机测试原理在发送器测试中，通常利用示波器直接测量输出信号的幅度、上升/下降时间、眼图和抖动，从而评估发送器的驱动能力、预加重、参考时钟稳定性等各项性能。在接收端，典型的接收机芯片框图如下： 图3典型接收机内部框图它包含信号检测（放大，均衡）基于

3、锁相环（PLL）的时钟恢复判决电路（并转串，线路码解码）对接收机性能的测试实际就是对以上三个主要部件的性能测试：1）可以识别出多小幅度的信号，即接收灵敏度2）时钟恢复电路中的锁相环能否去除低频抖动3）能够正确识别出带有多大抖动的数据，即抖动容限 不像发送端可以直接测量被测件（DeviceUnderTest，DUT）输出的信号，信号进入接收机内部后无法直接观测，一般使用仪器产生一定样本量、一定特征的激励数据流给DUT。这些特征一般是多种形式的“干扰”，仪器通过施加不同程度的“干扰”，测试接收机的表现。这种仪器一般是误码率测试仪

4、（BitErrorRateTester，BERT）。简单的说，误码率测试就是发送已知数据给被测接收机芯片，通过量化被错误判决数据的比例来衡量接收机芯片的性能。在功能上，误码率测试仪包括数据发生（PatternGernerter）和错误检测（ErrorDetetor）两个部分，即前者产生激励，后者检测响应。 图4误码率测试仪工作原理框图测试时，误码率测试仪和DUT收发互连形成回环，如图5。PatternGenerator发出带有“干扰”的信号给DUT。DUT将接收到的数据经过内部回环又发送回给误码率测试仪。一般经过DUT内部的

5、检测和时钟域变换，发送回去的数据不再带有“干扰”。图5误码率测试仪与DUT回环连接DUT一般有两种回环模式：1）外部BERT（或称RetimedLoopback） 图6外部BERT测试框图 DUT将RX端收到的BERT数据从TX端发送回去，由BERT对比发送和接收到的数据 2）内部BERT 图7内部BERT测试框图  DUT直接对接收到的BERT数据进行误码判断，并把误码率测试结果保存在DUT寄存器里。BERT通过读取误码寄存器得到误码率测试结果。 如前文所述，误码率测试仪能够在激励信号中注入一定程度的“干扰”，并且“干扰”

6、的特征参数可以定量调节，这些“干扰”包括：1）信号幅度信号从发送器输出，经过信道到达接收端，幅度可能衰减以至于接收机无法识别。因此误码率测试仪通过逐步降低激励信号幅度，直到接收机芯片无法正确检测出数据，从而获得被测芯片的接收灵敏度。下图是一个典型的测试结果图，横坐标是激励信号的差模幅度，纵坐标代表共模偏置程度。绿色点表示接收机芯片能正常识别出该点代表的差模共模幅度，红叉则表示不能正常接收。这样能得一幅直观的接收机灵敏度图。图8接收灵敏度测试结果图 2）预加重(Pre-Emphasis)高速串行信号普遍运用预加重技术来补偿信道

7、对信号高频分量的衰减。通过调节激励信号预加重程度可以补偿测试夹具、电缆的影响，确保信号达到接收端后的幅度符合预期。下图是一个预加重信号的眼图。图9预加重后的信号眼图 3）抖动接收机芯片中的时钟恢复电路运用锁相环来跟踪数据的跳变沿，其频响是一个低通滤波器。当串行数据信号的抖动变化频率较低时，处于直流到锁相环截至频率范围以内，锁相环就能及时追踪到数据跳变沿（即锁住相位），输出的时钟与输入数据同相（严格讲相位差为固定常数），这样抖动为零。当连续边沿的抖动变化太快时（即存在高频抖动时），锁相环不能及时追踪到边沿的变化，于是输出的时钟

8、和数据边沿存在抖动。误码率测试仪可以输出含有定量正弦抖动（即周期抖动）和随机抖动的数据，从而评估接收机芯片的抖动容限。图10含有周期抖动的激励信号眼图图11是一个抖动容限测试结果图，横坐标表示抖动的频率，纵坐标表示抖动的值。绿色点表示在相应抖动激励下，接收机的误码率测试可以通过（例如小于1