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鸭赵
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它们可以作为各种测试测量应用的激励信号使用但是, 直接合成概念并不仅限于测量用途, 也不是一个新概念, 它与唱片机中复现音频信号使用的过程类似 (

1 与大多数电子测试形式一样, 串行设备一致性和调试测量要求激励信号多年来, 设计人员几乎完全依赖数字数据发生器, 为串行测试生成二进制信号但是, 信号源领域中的新技术正在改变这一切, 直接合成工具可以帮助设计人员创建现实程度和相关性更高的信号直接合成一词描述了波形生成方式它们可以作为各种测试测量应用的激励信号使用但是, 直接合成概念并不仅限于测量用途, 也不是一个新概念, 它与唱片机中复现音频信号使用的过程类似 ( 但唱片使用编码数据 ) 唱片系统从存储装置 ( 唱片本身 ) 中读出系统存储的样点, 以重建模拟波形, 也就是用户听到的音乐 1

直接合成是一种基于采样的技术示波器从模拟波形中采集样点, 直接合成信号源或称为任意波形发生器 (AWG) 则从样点中创建模拟波形这里的重点理念是作为数字数据使用模拟波形, 如在串行数据总线中 AWG 存储器中的样点基本上可以定义任何波形, 包括数字脉冲当然, 正常的物理限制和带宽限制仍然适用, 但在其指定范围内,AWG 可以象 440 Hz 钢琴乐谱一样, 生成 5 Gb/s 的串行数据包

2 直接合成是一种基于采样的技术示波器从模拟波形中采集样点, 直接合成信号源或称为任意波形发生器 (AWG) 则从样点中创建模拟波形这里的重点理念是作为数字数据使用模拟波形, 如在串行数据总线中 AWG 存储器中的样点基本上可以定义任何波形, 包括数字脉冲当然, 正常的物理限制和带宽限制仍然适用, 但在其指定范围内,AWG 可以象 440 Hz 钢琴乐谱一样, 生成 5 Gb/s 的串行数据包市场上已经出现新一代 AWG ( 图 1), 也是能够以当前串总线中常见的高数据速率传送信号的第一个 AWG 新仪器提供了高达 20 GS/s 的采样率, 拥有多个输出和充足的存储容量, 可以支持长码型序列这一最新技术可望变革串行测量, 特别是在接收机一侧为什么要使用模拟波形? 串行信号完全由简单的二进制数据 1 和 0 组成为什么要使用模拟波形表示数字数据呢? 这是因为在数字信号下面是模拟事件书本上数字信号的零上升时间和完美的平顶都是虚拟的电子环境拥有噪声抖动串扰分布式电抗电源变化和其它缺点, 每个缺点都会给信号带来代价实际环境中的数字方波很少会类似于理论上的方波模拟波形信号源的优点是能够模仿不理想的模拟特点图 1. 泰克 AWG7052 代表着新一代直接合成任意波形发生器, 为满足串行测量需求提供了充足得高的性能直接合成技术允许工程师创建信号, 反映通过传输线传播时的影响它可以控制上升时间脉冲形状延迟和畸变等等, 这正是严格的串行总线测试所需的操作故意应用异常波形并不是直接合成 AWG 方法的唯一优势, 该仪器还可以创建多电平信号, 包含高低和空闲状态, 而不用外部工具的协助它可以生成内嵌抖动或噪声的任何格式的数据, 也不需要外部调制器的帮助与其它解决方案不同,AWG 可以发出一个测试信号, 拥有所需的全部定时幅度和失真特点, 而不是先生成一个干净的信号, 然后再劣化信号 2

3 信号幅度 ( 伏特 ) 路径长度 ( 厘米 ) 图 2. 有损耗的介质一般会与路径长度成比例衰减高频信号为最坏情况信号寻找最佳解决方案常用的串行数据接收机是各类数字系统大量使用的单元之一, 也对需要测试和检定新兴设备的设计人员提出了最大的一个挑战与过去一样, 基本问题也是接收机是否在实际环境条件下工作? 和最坏情况下的行为是什么? 事实上, 典型的串行数据接收机通常工作的实际环境基本上就是最坏情况环境这些问题非常重要, 因为经过一定传输链路的信号一般会随时钟速率和传输路径长度成比例劣化即使是最认真控制的链路, 其对 6.0 Gb/s 信号的影响也要超过对 500 Mb/s 信号的影响下一代串行标准中的数据速率将攀升到 6.0 Gb/s 以上, 而且还看不到上限串行数据信号需要越来越多的电路单元传送信号同样重要的是, 实际环境应用通常偏离使长度和劣化达到最小的理想的阻控受控的信号路径实用制造经济要求使用损耗相对较少的介质, 如 FR4 环氧树脂电路板封装要求 ( 而不是电气考虑因素 ) 正推动着电路布局发展大规模制造的电缆和连接器通常会降低信号保真度, 以实现经济性和简单性系统设计人员经常会故意地用传输路径完整性换取成本和竞争优势让我们只考虑这些选择的一个影响, 即有损耗的介质对通过介质传送的信号的影响图 1 是简化的示意图, 在概念上说明了脉冲在通过传输路径全长时会发生的情况在高数据速率时, 脉冲幅度会随着路径长度稳步下降, 可能会达到非常低的水平, 不能保证接收端准确地作出门限决策此外, 边沿劣化和过冲等效应 ( 图中也显示了这些效应 ) 也会降低接收输入上对信号的理解能力导致这些损耗的因素有哪些呢? 由于电路板介电材料的损耗突然偏离, 通过长 PCB 轨迹传播的高频信号会出现大幅度劣化高损耗的偏离与高介电吸收能力有关, 这在高频时会提高衰减虽然图 1 没有表明特定介质的性能, 但其传达的基础信息是信号会与介质的损耗特点成比例下降 3

4 发射机 FR-4 PCB 轨迹 A: 发送端 B: 距离 A 43 厘米 C: 距离 A 86 厘米接收机图 3. A 串行信号可能会受到噪声损耗串扰和其它异常事件的影响, 使得接收机很难正确解释数据图 3 说明了在串行数据信号经过 FR-4 电路板环境传送时发生的情况在测试点 A 上, 我们看到一个发射机输出的眼图眼图张开, 强健, 在判定点周围有全部幅度和充足的间隙在测试点 B 上, 也就是在到接收机输入一半的距离上, 信号已经显示某些磨损眼图闭上, 抖动提高, 导致边沿位置模糊只有模板容限非常丰富时, 这个眼图才能通过一致性测试出正确响应在计算行业和通信行业中, 设计人员一直在寻找各种方式, 改善信号传输业内已经采用各种形式的平衡去加重和编码技术, 图 3 中所示的总失真已经在一定程度上得到缓和但是, 这些行为最终还是由于材料电力和放射的物理特点引起的, 而这些特点总会在某种程度上存在因此, 一直有必要使用劣化信号测试元件和系统, 而直接合成信号源则为这一工作提供了理想的解决方案在 C 点上, 信号变得很差眼图在图像中心附近张开的面积很小接收机很难对这个信号中的数据跳变作 4

5 数据发生器噪声发生器随机抖动源参考时钟正弦波发生器抖动调制确定性抖动源错帧计数器图 4. 抖动容限测量中使用的数据发生器电源组合器保证 BIST-L 信号与后面的数据之间没有中断直接合成方法简化接收机抖动容限测试抖动是一种可能会给电路行为带来剧烈影响的现象长期以来, 数据发生器 (DG) 平台 ( 也称为定时 / 码型发生器 ) 一直是串行测量使用的主要仪器, 包括接收机抖动容限测试下面比较了数据发生器和码型发生器方法与采用直接合成系列工具的新兴替代方案抖动一般会弄脏边沿位置, 使眼图张开程度变窄图 4 是在接收机上进行抖动测量使用的典型测试设置 ( 在大多数情况下实际上是收发机, 但这里的重点是接收机 ) 图中显示了传送拥有随机抖动和确定性抖动的数据码型所需的设备为清楚起见, 在这里及后面的图示中, 与 DUT 的每对差分连接都显示为一条路径这种方法要求调节抖动和噪声成分, 在 DUT 中引入特定数量的总抖动, 直到其开始发送错帧或误码然后测量抖动幅度, 确定设备是否满足规范设备配置的目的是代替实际的系统元件, 生成预计 DUT 在最终用户应用中遇到的任何类型的抖动 5

6 时钟恢复比较器解串器解码器被测设备 ( 收发机 ) 时钟测试模式环回控制输出滤波和去加重控制驱动器 / 限制器串行化器编码器图 5. 串行收发机, 图中显示了环回路径接收机的基础架构提高了测试接收机抖动容限的复杂程度一致性测试如 SATA gen I 和 II 要求 DUT 遵守采用特定帧信息结构 (FIS) 提供的内置自检 (BIST) 指令在收到特定顺序的 BIST-L( 环回 ) 帧时, 串行收发机 ( 包括发射机接收机和 SERDES 单元 ) 被设计成进入专用环回模式在设备处于这种模式时, 发射机对已经收到的信号发出回声这种方法必不可少, 因为整个收发机通常是在硅制芯片上实现的, 因此不能接入内部信号路径在信号进入设备接收机一侧的比较器单元之后, 将没有任何方式探测信号典型收发机的方框图如图 5 所示在历史上,BIST 指令一直是外部 PC 提供的, 外部 PC 上运行为这一目的设计的应用软件遗憾的是, 一旦断开 BIST 信号源以后, 大多数收发机就会切换出环回模式, 返回普通操作, 因此不可能运行测试! 迎接这一挑战的常用解决方案是通过功率合成器向 DUT 输送 BIST 命令功率合成器的另一个输出连接到提供测试数据流的信号发生器上, 如图 4 所示通过在测试电路中使用电源组合器, 数据发生器可以在环回模式激活时, 开始把测试数据推到 DUT, 而不要求断开连接功率合成器是一种可行的解决方案, 但有它的缺点很明显, 它提高了复杂度, 增加了连接错误电气接触不良及出现其它机械问题的机会它还需要校准所有输入源, 保证正确引入抖动成分最重要的是, 功率合成器会使数据信号电压衰减高达 50% 通过提高数据发生器的输出幅度, 通常可以解决这个问题, 但它会限制仪器的性能 ; 此外, 提高幅度会不可避免地提高噪声, 可能会提高失真 6

7 任意波形发生器错帧计数器 BIST-L + 串行数据图 6. 采用高性能 AWG 的直接合成接收机测量设置然而, 直到最近, 功率合成器方法一直都是大多数接收机抖动测试使用的常规方法它使用经过验证的工具, 在正确设置设备和程序时, 可以提供令人满意的结果基于数据发生器的设置可以提供固定抖动曲线, 满足许多应用的需求另一种抖动生成方法然而, 另一种方法正在出现通过使用 AWG 直接合成技术, 可以消除修改和调制 DG 或码型发生器生成的信号所需的外部单元通过适当的直接合成 AWG, 可以把任何形式的抖动合并到测试信号本身中可以建立随机抖动和确定性抖动的影响模型 AWG 能够以定量方式和定性方式改变施加的效应 ( 如抖动 ), 并能够使用软件工具简便地实现这些效应也具有重要意义 AWG 直接合成方法还有一个重要优势, 即仪器可以作为数据的一部分包括 BIST-FIS 指令换句话说,AWG 的输出是一条连续的数据流, 其中先是 BIST-FIS 命令, 然后是抖动的数据, 在两者之间没有不想要的中断它不需要功率合成器或运行 BIST-FIS 软件的 PC 图 6 是仅由两台仪器组成的基于 AWG 的抖动测量系统 : 一台仪器生成输入, 一台仪器读取输出 AWG 的存储器不区分 BIST-FIS 数据带外信号时钟信号或实际数据流及其异常事件存储器简单地存储能够重建任意波形的样点 7

8 电压去加重幅度时间 (UI) 图 7. 在串行数据流中应用的去加重效应跳变位设置成较高的幅度, 以解决 ISI 问题直接合成技术满足去加重测量需求与上面介绍的抖动测量一样, 至少有两种方法处理去加重, 这是为降低码间干扰 (ISI) 而设计的信号调节步骤在本节中, 我们将再次比较备选方案在一组相同状态的连续串行位导致传输元件中积聚能量时, 可能会发生码间干扰 (ISI), 其结果是脉冲的时间开始展宽, 甚至会重叠最终, 接收机很难区分状态变化在位速率加速到千兆位范围时,ISI 开始困挠串行总线传输通道发现和消除 ISI 一直是许多研究工作的重点 ISI 公认的解决方法是去加重 1 去加重技术假设对拥有相同二进制状态的任何一串位, 第一个位 ( 称为跳变位 ) 的幅度必须大于后面的位, 以补偿传输线的频率特点, 改善接收机输入上的信号保真度通过使跳变位的幅度高于后续位, 信号到达接收机针脚时会表现为张开的眼图图 7 说明了这一概念与影响信号幅度和波形的任何其它处理方式一样, 必须在设计阶段全面评估新兴串行设备对去加重的响应此外, 去加重测量是大多数测试体系的一部分, 包括 PCI Express II 以太网 XAUI 等等 1 行业资料中使用的去加重一词比较模糊本文根据 PCI Express 基本规范中的实例, 把去加重定义为在特定条件下故意降低信号幅度 8

9 数据发生器信号构成成分 ( 存储的二进制数据 ) 功率合成器去加重的信号 (+) 示波器图 8. 基于数据发生器的去加重方案两条通道混合在一起, 在特定条件下增加去加重幅度数据发生器一直是去加重评估的传统解决方案尽管 DG 要求两条差分通道才能提供带有去加重的一个信号, 但现代多输出 DG 可以配置更多的输出, 来完成这一工作典型的 DG 配置可能有 8 条通道, 对 4 路串行总线足够了, 如 PCI Express 随着多路串行架构的重要程度不断提高 (PCI Express 标准涵盖了拥有最多 16 路的变通方案 ), 以最大限度地提高数据吞吐量, 可以保证 DG 在去加重测试中的未来发展前景使用 DG 进行去加重测试要求外部功率合成器, 混合两条组成的数据流, 生成一个合成输出, 即去加重信号测试设置如图 8 所示这里要再次重申, 图示中的每一条路径都代表一个差分对构成数据作为各个二进制位存储在 DG 内部, 每个操作周期会读取这些二进制位, 因此 DG 存储器中的一个 1 会变成码型中的一个 1 9

10 任意波形发生器存储器中存储的样点示波器重建的模拟输出码型图 9. 任意波形发生器重建存储在存储器中的采样波形使用 AWG 生成去加重信号生成去加重信号的直接合成方法完全不同于 DG, 但得到的应用到 DUT 上的信号完全相同 AWG 存储的信号包含去加重, 因此不需要生成及外部组合两条构成数据流, 以得到合成信号如图 9 所示, 这种排列要比基于 DG 的配置简单 10

11 时间一个 SSC 周期频率中心频率频率偏差图 10. 扩频时钟改变 ( 调制 ) 时钟, 这种效应可以整合到 AWG 码型中 AWG 把扩频时钟 (SSC) 合并到串行数据流中扩频时钟为最大限度地降低高速系统中时钟源发出的放射 EMI 提供了一种有效方式串行标准正日益实现 SSC,SSC 已经成为一致性问题事实上, 系统会调制数据的时钟速率, 以便时钟频率不断变化调制频率通常在几十 khz 范围内图 10 说明了 SSC 概念尽管生成标准 SSC 信号可能是一个挑战, 但它仍在直接合成信号生成工具的能力范围之内最重要的是,SSC 可以嵌入在原始数据中, 就象实际串行系统中一样 AWG 输出, 亦即包含 SSC 时钟调制的数据流, 可以直接应用到 DUT 上, 而不需要外部信号修改装置图 6 中可以看到这一配置 11

12 图 11. 串行 ATA ComWake OOB 序列的 AWG 设置窗口注意信号突发任一侧的三态幅度值图 12. 示波器上看到的 AWG 生成的 COMWAKE 码型带外一致性测试需要模拟信号拥有至少三种状态 ( 高低空闲 ) 的多电平信号在带外操作中十分常见, 如串行 ATA COMWAKE 这是一种设备间通信信号, 数据突发被空闲总线条件隔开信令发生的频率要低于数据路径中遇到的频率空闲条件在本质上是一种三状态电平, 落在二进制 1 和 0 实际值之间空闲状态是能够展现直接合成优势的一种信号特点 AWG 可以生成非常接近空闲条件的离散幅度电平, 而不管其实际电压电平可能是多少为此, 它创建一个 DUT 可以识别的 OOB 序列, 然后 DUT 发送自己的响应签名测试中需要调节 AWG 的输出幅度, 确定 DUT 停止响应的点一旦确定了这个点, 那么可以使用示波器进行快速幅度测量, 确认设备是否满足规范由于不需要功率合成器之类的外部信号修改装置, AWG 可以象周围的二进制码型值一样, 简便地生成准确的三态电压值图 11 是显示了 ComWake 顺序的 AWG 控制屏幕图 12 是当 AWG 执行图 11 屏幕上的命令时得到的 OOB 信号的示波器截图波形来自于哪里? 这种技术可以有效构建模拟波形, 生成数字信号它提供了无可比拟的灵活性, 不仅可以设计基本脉冲形状, 还可以设计在实际测试新电路功能时使用的改动不理想特点和压力 12

13 那么, 这些信号从哪里来呢? 是不是必需手动定位每个样点呢? 根本没有必要当前的波形生成平台为编写信号格式提供了各种方法某些仪器带有内置编辑器, 某些仪器提供了序列, 可以循环跳动和重复波形段, 生成波形某些新型 AWG 工具在采用 Windows 操作系统的内置 PC 上运行, 用户可以在仪器本身中运行强大的行业标准应用软件这些工具可以利用模型数据预置和自定义算法下载的波及其它资源创建复杂的波形自含式 PC 平台可以简便地维护波形库, 并使仪器与装有波形档案库的服务器组网图 13 是使用定制运行时应用软件开发的波形仿真, 这个应用软件在 MathWorks MATLAB 软件包下运行这个特殊的运行时工具以数学方式把传输线人工信号增加到数据码型中, 如随机噪声和确定性抖动成分在大型 MATLAB 平台内部, 可以开发工具, 增加串行测试时通常要求的去加重 SSC 和其它效应图 13 中的应用软件简化了内嵌确定性抖动成分和随机抖动成分的波形的设计任务, 但其功能还不止于此其它菜单选项允许用户启动 ISI, 指定码型类型, 独立定义上升沿和下降沿特点这种波形开发工具演示了 AWG 在全功能 PC 环境中运行时的巨大灵活性图 13. 这个基于 MATLAB 的运行时应用软件创建抖动的波形, 然后加载到 AWG 中, 生成直接合成信号应用软件从输入的值中创建 AWG 文件, 然后可以把这个文件加载到泰克 AWG7000 系列任意波形发生器中由于高达 20 Gs/s 的采样率和 5.8 GHz 的模拟带宽, AWG7000 系列可以使用直接合成方法准确地生成高达 6 Gb/s 的串行数据流 6 Gb/s 是从最大采样率中推导出的一个理论极限值, 它提供了充足的过采样率, 可以为特定一致性测试准确地重建要求的抖动其 64 M 样点的存储深度足以支持眼图分析所需的详细的长码型在使用通道复用模式时,AWG7000 系列 AWG 还可以提供高达 128M 的存储深度 13

14 特别是在准备一致性测试时, 最好认真检查, 使用高性能示波器采集 AWG 输出, 验证其 RF DJ 和 ISI 成分捕获波形有时, 仿真实际环境的最佳方式是复现一个实际环境信号某些 AWG 平台可以直接从兼容示波器或其它 AWG 中导入采集的波形 AWG 会记录一个精确体现信号源中的幅度定时和畸变的波形除重播捕获的信号外,AWG 还可以在波形中增加异常事件, 进行极限测试 AWG 的数字输出增加了灵活性除模拟端口外, 某些 AWG 平台提供了最多 4 个差分数字输出这些二进制信号称为标记, 旨在提供拥有可编程定时和幅度的高质量数字脉冲这些信号属性独立于 AWG 主模拟输出进行控制在要求数字信号但希望其不会给具有模拟效应的设备带来压力时, 可以使用标记输出事实上, 这些信号非常实用, 许多设计人员就是为标记输出才购买的 AWG, 结果发现这是一种经济的数字信号源标记可以用于串行幅度灵敏度测试, 也可以作为一种工具, 测试串行数据通路之间的时滞标记输出实现了高达 10 Gs/s 的数据速率, 以极低的抖动提供了高达 10Gb/s 的数据速率测试能力这一点非常重要, 因为它最大限度地降低了 AWG 给测量带来的抖动 14

15 总结直接合成工具正在串行设计人员的工作台上占有一席之地它们能够创建信号, 拥有一致性测量极限测试和调试所需的全部特点, 包括简单的 SSC 时钟调制及复杂的抖动和信号失真直接合成平台任意波形发生器只是最近才进入千兆位数据速率舞台但是, 新兴的高带宽 (10 GS/s) AWG 产品处于独一无二的位置, 可以解决串行设计人员长期面临的某些问题它们实现了使用起来更简单更快速的串行测量解决方案, 同时拥有几乎无限的灵活性 15

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CHCN_8-14_K.indd 是德科技三个理由让您选择深存储快响应示波器应用指南介绍 1. 更长的波形捕获时间 = / 1 1 Mpts 10 GSa/s 1 2 100 Mpts 10 1. = / 1 Mpts 10 GSa/s 1 ms 2. = / 100 Mpts 10 GSa/s 10 ms 3 12.5 Mpts 3 300 Kpts 3 3. 3 12.5 Mpts 3 300 Kpts? Agilent