信號完整性系列之十七—— 基于誤碼率的眼圖測試,ISOBER.doc

常規(guī)的眼圖測量眼圖測試是高速串行信號物理層測試的一個重要項(xiàng)目。眼圖是由多個比特的波形疊加后的圖形，從眼圖中可以看到：數(shù)字信號1電平、0電平，信號是否存在過沖、振鈴？抖動是否很 大？眼圖的信噪比？上升下降時間是否對稱（占空比）？眼圖反映了大數(shù)據(jù)量時的信號質(zhì)量，可以最直觀的描述高速數(shù)字信號的質(zhì)量與性能。如圖1所示為某1.25G信號的眼圖。可以看到該信號的抖動較大。另外，在很多高速數(shù)字信號的標(biāo)準(zhǔn)中，定義了不同測量點(diǎn)的眼圖模板。圖1的深藍(lán)色部分是眼圖模板，測量到的眼圖不能觸碰到該模板。在實(shí)時示波器中，通常使用連續(xù)比特位的眼圖生成方法。力科于2002年在業(yè)界最早采用連續(xù)比特位的眼圖測試方法。首先，示波器采集到一長串連續(xù)的數(shù)據(jù)波形；然后，使用軟件CDR恢復(fù)時鐘，用恢復(fù)的時鐘切割每個比特的波形，從第1個、第2個、第3個、一直到第n-1個、第n個比特；最后一步是把所有比特重疊，得到眼圖。什么是BER?在數(shù)字電路系統(tǒng)中，發(fā)送端發(fā)送出多個比特的數(shù)據(jù)，由于多種因素的影響，接收端可能會接收到一些錯誤的比特（即誤碼）。錯誤的比特數(shù)與總的比特數(shù)之比稱為誤碼率，即Bit Error Ratio，簡稱BER。誤碼率是描述數(shù)字電路系統(tǒng)性能的最重要的參數(shù)。在GHz比特率的通信電路系統(tǒng)中（比如Fibre Channel、PCIe、SONET、SATA），通常要求BER小于或等于 。BER= 指的是發(fā)送/接收了10 個比特，只允許1個比特出錯。誤碼率較大時，通信系統(tǒng)的效率低、性能不穩(wěn)定。影響誤碼率的因素包括抖動、噪聲、信道的損耗、信號的比特率等等?；谡`碼率的眼圖輪廓測試（BER Eye Contour）力科稱為ISOBER在上文中提到眼圖是多個比特位的信號疊加得到的測量結(jié)果，所以測試中需要注意眼圖是由多少個比特組成的？使用常規(guī)的實(shí)時示波器來測量高速串行信號的眼圖，在幾秒鐘內(nèi)可以生成1萬個比特疊加的眼圖。力科示波器使用了創(chuàng)新的XStream II專利技術(shù)，可以快速的生成眼圖，以SDA816Zi測量3.125Gbps的XAUI信號為例，大概幾秒就可以得到上百萬個比特的眼圖。即使如此速度，也很難直接測量到10 個比特的數(shù)據(jù)疊加得到的眼圖，與誤碼率聯(lián)系在一起，即BER=10 時的眼圖輪廓。假設(shè)每5秒測量到1M個比特的眼圖，測量10 的眼圖需要5*10 秒 = 1388.8小時，可見對于示波器來說，測量BER=10 的眼圖是很有挑戰(zhàn)性的。如圖2所示為疊加了282萬個比特的眼圖。基于誤碼率的眼圖輪廓測試又稱為BER Eye Contour測試，在抖動測量的權(quán)威文檔MJSQ（Methodologies for Jitter and Signal Quality Specification的縮寫）中提出用BERT scan方法來測量BER Eye Contour（見MJSQ Rev14.1的10.4.3節(jié)）。誤碼率測試儀BERT通過不斷調(diào)節(jié)延時時間得到在水平方向的特定決策點(diǎn)的誤碼率，同時可以測量到不同誤碼率的總體抖動，同理，在垂直方向調(diào)節(jié)門欄電壓，可以得到特定電壓的誤碼率。同時掃描水平方向的延時和垂直方向的門欄電壓并測量誤碼率，即可得到眼圖內(nèi)任一個判決點(diǎn)的誤碼率，將相同誤碼率的點(diǎn)連線，即可得到某個誤碼率的眼圖輪廓（通過BERT得到BER Eye Contour的詳細(xì)介紹可以參考BERT廠商的相關(guān)技術(shù)資料）。力科在2008年10月推出了新一代的串行數(shù)據(jù)分析選件SDAII，SDAII可以測量某誤碼率的眼圖輪廓，是目前實(shí)時示波器中唯一可以測量誤碼率眼圖的解決方案。ISOBER的原理在力科示波器中，測量到一定數(shù)量比特疊加的眼圖后，以眼的中心為原點(diǎn)，以若干條對角線對眼圖進(jìn)行切割，如圖3所示的紅色直線是對眼圖進(jìn)行切割，計(jì)算出眼圖在每條切割線上的直方圖，如圖3中紅色拋物線所示。使用MJSQ文檔的Dual-Dirac模型對直方圖的尾部進(jìn)行擬合與外插值，推算出更多統(tǒng)計(jì)樣本時的直方圖分布，即低誤碼率時的直方圖的極值。把每條切割線上的直方圖在同一誤碼率的極值的座標(biāo)用直線連接，得到圖3下部分所示為各個誤碼率的眼圖輪廓。為了保證直方圖外插值的精度，通常需要累積上百萬個比特的眼圖后再進(jìn)行ISOBER scan。（關(guān)于Dual-Dirac模型的詳細(xì)介紹，參考MJSQ文檔）ISOBER的應(yīng)用ISOBER可以快速測量出低誤碼率時的眼圖輪廓，對于高速串行信號的分析與驗(yàn)證非常實(shí)用。如下圖4所示是用力科示波器測量兩個3.125Gbps信號的ISOBER圖。可見，在同樣測量了140萬個比特的眼圖后，兩者的眼圖非常接近，眼高與眼寬也比較接近。但是，使用ISOBER掃描后，BER=10 的眼圖輪廓相差較大。在BER=10 時，左半部分的眼圖輪廓遠(yuǎn)小于右半部分的眼圖輪廓，說明右半部分的高速串行信號的整體性能優(yōu)于左半部分的。如果我們同時對兩路串行信號進(jìn)行抖動分析，抖動分解結(jié)果如表1所示。可以發(fā)現(xiàn)前者的隨機(jī)抖動Rj較大（高達(dá)10.11ps），后者的周期性抖動較大（36.37ps）。由于BER=10 的總體抖動Tj(1e-12) Dj + 14.07 * Rj ，隨機(jī)抖動Rj對于總體抖動Tj的影響很大。盡管后者的Pj大于前者，但是前者的Rj大于后者，最終前者的Tj(1e-12)大于后者，所以不難理解為何前者的BER=10 的眼圖輪廓小于后者了。在串行數(shù)據(jù)鏈路中，隨機(jī)抖動通常來自于高速收發(fā)器的時鐘，參考時鐘經(jīng)過鎖相環(huán)倍頻后為高速收發(fā)器提供時鐘，如果PLL的輸入時鐘的隨機(jī)抖動較大時，經(jīng)過PLL倍頻后成比例增大（抖動放大倍數(shù)是PLL的倍數(shù)的平方）。對于左半部分的串行數(shù)據(jù)鏈路，需要測量和分析參考時鐘和PLL。而周期性抖動通常來自于開關(guān)電源噪聲和串?dāng)_，對于右半部分的串行數(shù)據(jù)鏈路，需要測量和分析高速收發(fā)器的電源噪聲、PLL的電源噪聲與抖動。結(jié)語：在力科開發(fā)ISOBER之前，業(yè)界只