中心議題：

• 高速串行信號(hào)測(cè)試中的虛擬探測(cè)和均衡技術(shù)

解決方案：

• 使用Eye Doctor進(jìn)行高速信號(hào)測(cè)試
• 在測(cè)試儀器內(nèi)嵌入均衡技術(shù)來復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)的真實(shí)性能

【摘要】在高于2.5G比特率的串行數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，信號(hào)經(jīng)過PCB長(zhǎng)距離傳輸線、連接器、過孔，到達(dá)接收芯片引腳的測(cè)試點(diǎn)時(shí)，信號(hào)已經(jīng)嚴(yán)重衰減，即使示波器與差分探頭的測(cè)試系統(tǒng)帶寬足夠高，很多測(cè)量結(jié)果基本沒有意義——因?yàn)檠蹐D已經(jīng)閉合。而往往SERDES接收芯片內(nèi)部集成了均衡器，以補(bǔ)償接收端信號(hào)的過大衰減，而信號(hào)經(jīng)過均衡器處理后的眼圖張開度又如何？這成為高速信號(hào)測(cè)量的前沿且核心的問題。在示波器內(nèi)部集成均衡器，讓客戶訂制濾波功能來仿真接收芯片的均衡特性，同時(shí)結(jié)合虛擬探測(cè)技術(shù)——顯然期望的測(cè)試點(diǎn)是在接收芯片內(nèi)部，探針無法觸及——是目前高速測(cè)試的解決方案之一。本文是中興通訊EDA高速實(shí)驗(yàn)室以三大示波器廠商之一的LeCroy示波器為例，簡(jiǎn)單介紹高速串行信號(hào)測(cè)試中的虛擬探測(cè)和均衡技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】高速串行信號(hào)，LeCroy示波器，虛擬探測(cè)，均衡技術(shù)，Eye Doctor

1. 引言
在高速serdes系統(tǒng)中， PCB的長(zhǎng)距離傳輸線、連接器、過孔的阻抗不連續(xù)等因素對(duì)信號(hào)造成很大衰耗，比如6.25Gb/s的信號(hào)在FR4上走25英寸或者更遠(yuǎn)之后的眼圖已經(jīng)無法張開，為了解決這種衰耗問題，往往有兩種方法，一種是在發(fā)射端使用預(yù)加重技術(shù)，一種是在接收端使用均衡技術(shù)。

由于在SERDES接收芯片內(nèi)部集成了均衡器，以補(bǔ)償信號(hào)的過大衰減，但是測(cè)試時(shí)，直接測(cè)量接收端的信號(hào)基本沒有意義，因?yàn)檫@根本無法代表接收信號(hào)的真實(shí)性能。在示波器內(nèi)部集成濾波器，讓客戶訂制濾波功能來仿真接收芯片的均衡特性，是目前高速測(cè)試的解決方案之一。

中興通訊EDA高速實(shí)驗(yàn)室作為公司的高速測(cè)試平臺(tái)，解決過E1業(yè)務(wù)板、以太網(wǎng)口、千兆光口、高速互聯(lián)系統(tǒng)等眾多問題，對(duì)均衡測(cè)試等前沿技術(shù)也進(jìn)行了研究，本實(shí)驗(yàn)室將以LeCroy的SDA6000A（帶寬6GHz，20GS/s）為例，介紹最新的高速串行信號(hào)虛擬探測(cè)和均衡技術(shù)。SDA6000A的虛擬探測(cè)和均衡分析工具叫Eye Doctor，它是一個(gè)集成在LeCroy示波器內(nèi)部的功能強(qiáng)大的軟件包。

2. 使用Eye Doctor進(jìn)行高速信號(hào)測(cè)試
一、Eye Doctor功能介紹
虛擬探測(cè)：

• 允許在系統(tǒng)的任何一個(gè)比較方便位置測(cè)試，然后反映出其他位置的波形。這些位置包括測(cè)試系統(tǒng)中不能探測(cè)的位置，比如芯片內(nèi)部。
• 可以提高測(cè)試精度：把儀器、探頭、夾具帶來的影響去掉；在信號(hào)最強(qiáng)的地方（通常是發(fā)射端）進(jìn)行測(cè)試，然后推算出信號(hào)較弱地方的波形，而在發(fā)送端測(cè)試有更高的信噪比，比直接在接收端測(cè)試效果更好。
• 使用通用的S參數(shù)作為模擬器的語言（S參數(shù)可以用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀或者仿真建模軟件提取）。

接收均衡器模擬：
高速串行芯片往往嵌入了接收均衡器，通過示波器的均衡模擬技術(shù)復(fù)現(xiàn)信號(hào)，可以反映出系統(tǒng)的真實(shí)性能。

二、原理
1、 虛擬探測(cè)
圖1所示為Eye Doctor的虛擬探測(cè)原理，它由一個(gè)虛擬探測(cè)器件構(gòu)成，相當(dāng)于一個(gè)黑盒子，其性能跟輸入的S參數(shù)有關(guān)，該S參數(shù)代表傳輸系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。虛擬探測(cè)器左邊輸入實(shí)際測(cè)試得到的波形（比如發(fā)射端波形），右邊輸出即為虛擬探測(cè)波形（比如接收端或難以探測(cè)點(diǎn)的波形）。它最多可支持8端口輸入和輸出的系統(tǒng)，描述語言類似于Spice，接收Touchstone格式的S參數(shù)。

2、 接收均衡器
在高速數(shù)據(jù)傳輸中，為防止信號(hào)失真，通常有兩種方法：一種是發(fā)射端采用預(yù)加重（Pre-emphasis），另一種是在接收端使用均衡技術(shù)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

• 預(yù)加重Pre-emphasis：為抵消傳輸通道的衰減，預(yù)加重通過加重任何信號(hào)變化后的第一個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)來對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行預(yù)失真處理，從而消除信道中脈沖響應(yīng)的前沿過沖和后沿拖尾。
• 接收均衡器receive equalization：接收均衡器通過在接收端放大信號(hào)中的高頻分量來補(bǔ)償傳輸損耗，而低頻分量保持不變，讓信號(hào)眼圖張得最開。是預(yù)加重的一種替代或互補(bǔ)方案。
• 判決反饋均衡器Decision feedback equalization (DFE)：根據(jù)解碼數(shù)據(jù)改變信號(hào)的幅度，一個(gè)經(jīng)典的判決反饋均衡器的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

前饋均衡（FFE）的作用是去掉信號(hào)互調(diào)干擾，并將來自接收數(shù)據(jù)流的噪聲“漂白”。DFE監(jiān)測(cè)判決限幅器（Slicer）的輸出，取出與限幅器判決相關(guān)的噪聲，并反饋到限幅器的輸入端，并從下一個(gè)信號(hào)中減掉。在FFE-DFE系統(tǒng)中，F(xiàn)FE和DFE的抽頭數(shù)對(duì)整個(gè)均衡器有很大的影響。
Eye Doctor的作用圖4所示：
三、應(yīng)用實(shí)例：
下面以中興通訊EDA高速實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)實(shí)際應(yīng)用案例來說明Eye Doctor的應(yīng)用。對(duì)圖5所示的一個(gè)高速背板互聯(lián)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，信號(hào)經(jīng)過連接器和背板，走線長(zhǎng)度約為40In。 1、發(fā)送端信號(hào)波形和眼圖
信號(hào)波形（圖6）： 眼圖質(zhì)量很好，如圖7示： 2、接收端信號(hào)波形和眼圖
信號(hào)經(jīng)過背板和連接器，到達(dá)接收端，信號(hào)變差，眼圖變小，如圖8、圖9所示。如果不使用均衡技術(shù)，系統(tǒng)很容易出現(xiàn)誤碼，因此在高速接收芯片內(nèi)部通常需要嵌入均衡器。 3、虛擬探測(cè)得到的接收端波形
下面我們來看看用eye doctor虛擬探測(cè)得到的接收端波形，在探測(cè)過程中，需要把傳輸網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)輸入到虛擬探測(cè)器件里面（圖10）。該S參數(shù)EDA高速實(shí)驗(yàn)室使用網(wǎng)絡(luò)分析儀加輔助子卡測(cè)試得到，如果實(shí)際應(yīng)用時(shí)S參數(shù)不容易得到，也可以通過一些仿真軟件提取，EDA高速實(shí)驗(yàn)室通常會(huì)使用SIwave、HFSS來提取S參數(shù)。 把虛擬探測(cè)波形和實(shí)際測(cè)試波形進(jìn)行比較如下，可見吻合的相當(dāng)?shù)暮茫▓D11），虛擬探測(cè)可以作為測(cè)試的重要輔助手段。 4、均衡模擬器
把經(jīng)過背板的已衰減信號(hào)加到示波器的均衡模擬器上，查看經(jīng)過均衡的信號(hào)眼圖。根據(jù)接收芯片實(shí)際情況，我們把FFE和DFE的抽頭數(shù)分別設(shè)為3和1，點(diǎn)擊Train，對(duì)均衡器進(jìn)行訓(xùn)練（圖12），就得到了均衡后的信號(hào)，其眼圖如圖13所示。 對(duì)比圖9可見，眼圖質(zhì)量大大提升，這代表了系統(tǒng)的真實(shí)性能，在測(cè)試儀器內(nèi)嵌入均衡技術(shù)已經(jīng)成為高速測(cè)試的解決方案之一。

注：眼圖顯示時(shí)看到波形切斷現(xiàn)象的解釋：
均衡算法時(shí)會(huì)對(duì)采樣點(diǎn)進(jìn)行幅度的提升，使均衡后的波形與理想的波形（下圖中的decode的波形）相減后得到的差值最小。對(duì)于高頻的碼，為了補(bǔ)償其衰減，均衡后的波形可能在上升或下降沿出現(xiàn)比較高的類似于過沖的波形，眼圖顯示時(shí)可能會(huì)看到切斷的波形。 3. 結(jié)論
在本例中，中興通訊EDA高速實(shí)驗(yàn)室通過使用虛擬探測(cè)和均衡技術(shù)解決了高速串行信號(hào)的測(cè)試問題。在高速數(shù)據(jù)傳輸中，往往采用均衡處理技術(shù)來擴(kuò)展信號(hào)的傳輸距離，直接測(cè)量接收端的信號(hào)基本沒有意義，因?yàn)檫@根本無法代表接收信號(hào)的真實(shí)性能。在測(cè)試儀器內(nèi)嵌入均衡技術(shù)來復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)的真實(shí)性能，已經(jīng)成為高速測(cè)試的重要解決方案。

Eye Doctor是LeCroy高端示波器的一個(gè)軟件包，它包含兩個(gè)功能：虛擬探測(cè)，均衡模擬。這是高速串行數(shù)據(jù)測(cè)試中非常重要的功能，有時(shí)候是必需的。

虛擬探測(cè)是高速測(cè)試中的一個(gè)新方法，可以做得相當(dāng)準(zhǔn)確，但需要系統(tǒng)的S參數(shù)，這并不容易得到，可以通過一些仿真軟件提取。

參考資料
1. （美） LeCroy Corporation，Eye Doctor Operator''''s Manual，2007年1月
2. （美） Leo Wong， Rambus公司，如何解決高速背板的信號(hào)完整性問題，2006