高 速 FPGA 系 统 的 信 号 完 整 性 测 试 和 分 析 张 楷 泰 克 科 技 ( 中 国 ) 有 限 公 司 摘 要 : 随 着 FPGA 器 件 的 速 度 和 容 量 日 益 提 高, 各 种 高 速 的 并 行 和 串 行 接 口 都 广 泛 应 用 在 FPGA 上, 其 中 典 型 的 高 速 串 行 总 线 速 率 超 过 1Gb/s, 这 为 设 计 和 应 用 人 员 提 供 了 极 大 的 灵 活 性, 同 时 对 于 FPGA IO 的 测 试 和 验 证 也 带 来 了 新 的 挑 战 本 文 针 对 FPGA 中 各 种 高 速 串 行 总 线 的 信 号, 提 供 全 面 的 信 号 完 整 性 测 试 和 分 析 方 法 关 键 词 :FPGA, 高 速 串 行 信 号, 信 号 完 整 性, 抖 动, 眼 图 测 试, 采 样 示 波 器 1. 引 言 随 着 FPGA 的 设 计 速 度 和 容 量 的 明 显 增 长, 当 前 流 行 的 FPGA 芯 片 都 提 供 高 速 总 线, 例 如 DDR 内 存 总 线,PCI-X 总 线 SPI 总 线 ; 针 对 超 高 速 的 数 据 传 输,FPGA 通 过 集 成 SerDes 提 供 高 速 串 行 IO, 支 持 各 种 诸 如 PCI-E GBE XAUI 等 高 速 串 行 总 线 协 议, 为 各 种 不 同 标 准 的 高 速 传 输 提 供 极 大 的 灵 活 性 典 型 的 高 速 FPGA 器 件 提 供 的 每 一 条 物 理 链 路 的 速 度 从 200Mbps 到 高 达 10Gbps, 高 速 IO 的 测 试 和 验 证 更 成 为 传 统 专 注 于 FPGA 内 部 逻 辑 设 计 的 设 计 人 员 面 临 的 巨 大 挑 战 这 些 挑 战 使 设 计 人 员 非 常 容 易 会 把 绝 大 部 分 设 计 周 期 时 间 放 在 调 试 和 检 验 设 计 上 为 了 加 速 对 于 FPGA 中 高 速 并 行 和 串 行 总 线 的 调 试 和 验 证, 它 需 要 使 用 新 的 高 速 信 号 完 整 性 测 试 工 具 和 分 析 方 法 本 文 根 据 当 前 FPGA 的 高 速 总 线 测 试 和 分 析, 提 供 了 最 新 的 方 法 和 工 具 图 1 是 一 个 典 型 FPGA 的 提 供 的 各 种 高 速 接 口 对 于 这 些 速 度 从 200M 到 高 达 10G 的 高 速 总 线, 信 号 完 整 性 的 测 试 和 分 析 是 保 证 设 计 成 功 的 基 础 和 关 键 图 1 典 型 FPGA 的 提 供 的 各 种 高 速 接 口
2. 高 速 串 行 总 线 眼 图 测 试 对 于 采 用 内 嵌 SERDES 电 路 的 FPGA 芯 片, 其 高 速 串 行 信 号 进 行 测 试 和 验 证, 最 基 本 的 工 具 是 通 过 示 波 器 进 行 对 其 眼 图 测 试 因 为 眼 图 能 够 非 常 直 观 的 反 映 一 条 被 测 信 号 路 径 上 的 整 体 信 号 质 量 问 题, 包 括 信 号 的 抖 动 量 大 小 ( 眼 宽 ) 以 及 幅 度 的 大 小 ( 眼 高 ) 等 重 要 信 息 图 2 是 一 个 高 速 数 据 信 号 的 眼 图 形 成 的 过 程 图 2 眼 图 的 形 成 过 程 从 眼 图 的 形 成 过 程 可 以 看 出, 一 个 NRZ 编 码 的 高 速 数 据 无 论 传 输 何 种 码 流, 都 可 以 看 作 一 个 重 复 信 号, 经 过 一 定 时 间 和 样 本 数 的 累 计, 它 反 映 整 个 传 输 链 路 上 的 总 体 信 号 质 量 3. 选 择 合 适 的 眼 图 测 试 工 具 3.1 示 波 器 带 宽 的 要 求 示 波 器 是 进 行 高 速 串 行 信 号 眼 图 测 试 的 首 选 工 具 无 论 是 用 高 速 实 时 示 波 器 还 是 采 样 示 波 器 (Sampling Scope) 得 到 眼 图, 带 宽 是 对 示 波 器 的 基 本 要 求 以 一 个 NRZ 编 码 的 高 速 串 行 总 线 为 例, 它 理 想 的 波 形 是 一 个 方 波 信 号, 方 波 信 号 是 由 它 的 基 波 ( 正 弦 波 ) 和 奇 次 谐 波 (3 次,5 次,7 次 ) 组 成 根 据 信 号 的 传 输 速 率 和 上 升 时 间, 选 择 尽 量 高 带 宽 和 最 快 上 升 时 间 的 示 波 器, 这 样 测 试 结 果 保 留 更 多 的 谐 波 分 量, 构 建 高 精 度 的 眼 图 测 试 结 果 示 波 器 带 宽 反 映 了 对 被 测 信 号 幅 度 上 的 衰 减, 而 示 波 器 上 升 时 间 决 定 了 对 被 测 信 号 上 升 时 间 测 试 的 误 差 经 典 的 示 波 器 带 宽 和 上 升 时 间 的 关 系 为 : 带 宽 上 升 时 间 =0.35-0.45,0.35-0.45 为 常 系 数 每 一 个 高 性 能 示 波 器 除 了 提 供 带 宽 的 指 标 外, 还 会 给 出 上 升 时 间, 表 征 其 对 阶 跃 信 号 的 测 试 能 力 和 精 度 示 波 器 测 试 结 果 的 经 验 公 式 为 : 高 速 串 行 数 据 (NRZ 编 码 ) 提 供 一 般 为 数 据 率, 其 最 高 的 基 频 为 比 特 率 的 一 半 即 假 设 给 定 一 个 NRZ 编 码 的 串 行 信 号, 码 型 为 时 钟 码 型 ( 即 传 输 的 数 据 为 1-0-1-0-1), 从 频 域 的 角 度 观 测 该 信 号, 它 成 为 一 个 基 波 为 数 据 率 一 半 的 方 波 信 号, 这 个 时 钟 码 型 是 数 据 变 化 最 快 的 情 况 以 泰 克 TDS6154C 大 于 15GHz 带 宽 的 实 时 示 波 器 为 例, 它 可 以 测 试 保 留 6.25Gb/s (2 XAUI) 信 号 的 五 次 谐 波, 以 及 10Gb/s (XFI) 信 号 的 三 次 谐 波 下 表 列 出 了 不 同 的 高 速 串 行 总 线 在 不 同 测
试 精 度 要 求 下 对 示 波 器 带 宽 的 要 求 当 示 波 器 系 统 不 能 提 供 足 够 的 系 统 带 宽 时, 它 会 衰 减 对 高 速 信 号 的 高 次 谐 波 分 量 测 试 结 果 除 了 引 入 由 于 示 波 器 带 宽 不 足 导 致 的 码 间 干 扰 (ISI), 电 压 幅 度 的 异 常 ( 过 冲 和 衰 减 ), 还 会 导 致 抖 动 量 过 大, 最 终 眼 图 模 板 测 试 的 错 误 或 者 测 试 容 限 的 减 小, 无 法 真 正 反 映 信 号 完 整 性 问 题 图 3 分 别 是 泰 克 TDS6154C 15GHz 带 宽 和 传 统 DSO 13GHz 带 宽 实 时 示 波 器 对 一 个 FPGA 器 件 提 供 的 的 6.25Gb/s 高 速 数 据 进 行 的 眼 图 测 试 结 果 比 较 图 中 上 半 部 分 显 示 的 眼 图 有 很 好 的 对 称 性, 上 升 和 下 降 时 间 更 快, 信 号 抖 动 量 很 小, 真 实 的 反 映 信 号 的 真 实 特 性 由 于 13GHZ 的 DSO 示 波 器 系 统 带 宽 不 足, 无 法 捕 获 信 号 的 五 次 谐 波 分 量, 图 中 下 半 部 分 的 测 试 结 果 反 映 出 眼 图 上 升 时 间 过 慢 ; 同 时 测 试 的 眼 图 还 存 在 明 显 的 过 冲 和 震 铃, 测 试 仪 器 导 致 的 抖 动 也 掩 盖 的 信 号 的 真 正 抖 动 大 小
图 3 高 速 串 行 数 据 测 试 比 较 ( 上 图 为 泰 克 TDS6154C 示 波 器 测 试 结 果 ) 3.2 示 波 器 高 速 采 集 内 存 的 要 求 当 使 用 实 时 示 波 器 对 于 FPGA 信 号 进 行 信 号 完 整 性 测 试 时, 利 用 一 次 采 集 的 数 据 构 建 眼 图, 所 以 除 了 示 波 器 硬 件 带 宽 和 高 速 采 样 率 外, 采 集 的 数 据 量 的 大 小 非 常 关 键, 这 样 对 示 波 器 的 高 速 采 集 内 存 就 有 了 更 高 的 要 求 下 图 是 在 高 采 样 率 下, 不 同 高 速 内 存 容 量 下 一 次 捕 获 的 数 据 量 的 大 小 采 样 率 10K 内 存 256K 内 存 1M 内 存 64M 内 存 400M 内 存 10GS/s 1us 25us 100us 6400us 40ms 20GS/s 0.5us 12.5us 50us 3200us 20ms 40GS/s 0.25us 6.25us 25us 1600us 10ms 当 对 FPGA 的 高 速 信 号 进 行 抖 动 测 试 时, 高 速 内 存 长 度 不 仅 决 定 了 一 次 抖 动 测 试 中 样 本 数 的 多 少, 还 决 定 了 示 波 器 能 够 测 试 的 抖 动 频 率 范 围 针 对 信 号 中 的 各 种 低 频 抖 动 干 扰 源, 高 速 采 集 内 存 长 度 是 示 波 器 进 行 低 频 抖 动 测 试 的 关 键 下 表 显 示 的 为 20GSa/s 高 采 样 率 下, 不 同 内 存 长 度 分 析 抖 动 频 率 范 围 的 大 小 传 统 高 性 能 示 波 器 设 计 构 架 采 用 将 高 速 采 集 前 端 ( 多 达 80 颗 ADC) 和 高 速 内 存 在 物 理 上 用 一 颗 SOC 芯 片 实 现, 由 于 有 太 多 功 能 在 一 个 芯 片 内 部 实 现, 导 致 片 内 高 速 内 存 容 量 的 限 制 ( 在 20GS/s 下 小 于 1M), 无 论 是 对 于 高 速 串 行 数 据 的 眼 图 测 试 还 是 对 于 时 钟 信 号 的 抖 动 测 试, 都 存 在 很 大 的 限 制, 并 且 日 后 无 法 对 内 存 扩 展 升 级 为 了 弥 补 这 种 设 计 结 构 的 缺 陷, 这 类 示 波 器 会 采 用 在 芯 片 外 部 添 加 低 速 存 储 器 弥 补 片 内 高 速 内 存 的 限 制, 但 外 部 存 储 器 不 能 在 高 采 样 率 下 工 作, 一 般 只 能 提 供 2GS/s, 样 点 间 隔 500ps, 由 于 绝 大 多 数 信 号 边 沿 速 度 都 在 皮 秒 级,2GS/s 无 法 在 信 号 边 沿 采 集 足 够 样 点, 甚 至 出 现 会 出 现 混 叠, 所 以 它 无 法 提 供 有 意 义 的 眼 图 和 抖 动 测 试 结 果 泰 克 TDS6154C 高 速 实 时 示 波 器 采 用 硅 锗 (SiGe) 半 导 体 集 成 采 集 前 端, 并 使 用 独 立 的 高 速
存 储 器, 这 样 就 不 受 内 存 长 度 的 限 制, 并 且 它 同 时 支 持 最 大 采 样 率 和 存 储 长 度 4. 抖 动 噪 声 和 BER 测 试 和 分 析 针 对 FPGA 中 不 断 增 长 的 串 行 数 据 传 输 速 率, 设 计 人 员 不 仅 进 行 眼 图 测 试, 还 需 要 一 套 先 进 的 测 试 和 分 析 工 具 帮 助 他 们 更 好 地 理 解 和 改 善 他 们 设 计 方 案 的 信 号 完 整 性 针 对 FPGA 提 供 的 各 种 高 速 串 行 信 号, 传 统 的 采 样 示 波 器 配 合 抖 动 分 析 软 件 针 对 FPGA 中 的 高 速 串 行 信 号 能 够 进 行 抖 动 的 测 试, 测 试 结 果 的 分 离, 后 期 的 抖 动 原 因 的 定 位 和 分 析, 以 及 水 平 时 间 分 量 上 的 BER 分 析 但 是, 对 于 导 致 BER 的 另 一 个 主 要 原 因, 即 串 行 信 号 中 的 噪 声 分 量, 没 有 一 个 彻 底 的 测 试 和 分 析 方 法 图 4 显 示 了 对 于 一 个 高 速 串 行 信 号 的 抖 动 分 量 和 噪 声 分 量 影 响 BER 的 过 程 Jitter Separation BER Noise Separation =Unbounded = Bounded Total Jitter (TJ) Total Noise (TN) Random Jitter (RJ) Deterministic Jitter (DJ) Random Noise (RN) Deterministic Noise (DN) Periodic Jitter (PJ) Data Dependent Jitter (DDJ) Duty-Cycle D istortion (DCD) Periodic Noise (PN) Data Dependent Noise (DDN) 图 4 抖 动 分 量 和 噪 声 分 量 的 分 解 从 事 FPGA 器 件 的 设 计 和 应 用, 以 及 背 板 的 设 计 和 制 造 的 公 司 在 开 发 基 于 超 高 速 串 行 数 据 标 准 的 产 品 时 需 要 最 高 精 度 的 抖 动 分 析, 噪 声 分 析 以 及 完 整 的 BER 眼 图 信 息 泰 克 CSA/TDS8200 系 列 采 样 示 波 器 (Sampling Oscilloscope) 测 试 眼 图 时, 除 了 传 统 的 眼 图 和 抖 动 测 试 外, 泰 克 80SJNB 抖 动 和 噪 声 分 析 软 件 提 供 了 对 于 设 计 人 员 和 调 试 人 员 更 有 价 值 的 抖 动 噪 声 BER 分 析 功 能 80SJNB 不 仅 能 够 得 到 高 精 度 的 眼 图 测 试 结 果, 还 能 够 通 过 分 隔 抖 动 和 噪 声, 加 快 了 识 别 水 平 和 垂 直 眼 图 闭 合 原 因 的 速 度 由 于 它 能 够 以 独 特 的 视 角 查 看 抖 动 和 噪 声 的 构 成 成 分,80SJNB 可 以 高 度 精 确 全 面 地 推 断 BER 及 分 析 眼 图 轮 廓 在 把 抖 动 噪 声 和 BER 分 析 与 8000 系 列 的 模 块 化 灵 活 性 完 善 的 性 能 和 信 号 保 真 度 结 合 在 一 起 时, 您 可 以 获 得 理 想 的 下 一 代 高 速 串 行 数 据 设 计 检 验 和 一 致 性 测 试 解 决 方 案 下 表 列 出 了 80SJNB 软 件 配 合 泰 克 CSA/TDS8200 系 列 示 波 器 得 到 的 抖 动 和 噪 声 分 析 结 果 高 级 抖 动 分 析 测 量 项 目 TJ@BER RJ RJ(h) RJ(v) RJ(σ-σ) DJ DDJ 说 明 指 定 BER 时 的 总 抖 动 随 机 抖 动 随 机 抖 动 的 水 平 成 分 随 机 抖 动 的 垂 直 成 分 根 据 双 Dirac 模 型 计 算 得 出 的 随 机 抖 动 确 定 性 抖 动 数 据 相 关 抖 动
DCD DJ(σ-σ) PJ PJ(h) PJ(v) EOH@BER 高 级 噪 声 分 析 测 量 项 目 RN RN(v) RN(h) DN DDN1 DDN0 PN PN(v) PN(h) EOV@BER 占 空 比 失 真 根 据 双 Dirac 模 型 计 算 得 出 的 确 定 性 抖 动 周 期 抖 动 周 期 抖 动 的 水 平 部 分 周 期 抖 动 的 垂 直 部 分 指 定 BER 时 的 水 平 眼 图 张 开 说 明 随 机 噪 声 随 机 噪 声 的 垂 直 成 分 随 机 噪 声 的 水 平 成 分 确 定 性 噪 声 逻 辑 电 平 1 上 的 数 据 相 关 噪 声 逻 辑 电 平 0 上 的 数 据 相 关 噪 声 周 期 噪 声 周 期 噪 声 的 垂 直 成 分 周 期 噪 声 的 水 平 成 分 指 定 BER 时 的 垂 直 眼 图 张 开 80SJNB 软 件 除 了 能 够 得 到 每 一 个 抖 动 和 噪 声 分 量 的 精 确 结 果, 针 对 设 计 和 测 试 人 员 还 提 供 了 各 种 图 形 显 示 进 行 更 细 致 的 信 号 完 整 性 分 析 例 如, 抖 动 和 噪 声 成 分 概 率 分 布, 频 谱 分 布, 数 据 相 关 抖 动 和 噪 声 与 位 的 关 系, 数 据 码 型 波 形, 抖 动 和 噪 声 浴 缸 曲 线, BER 概 率 图, BER 轮 廓 图, 概 率 分 布 眼 图 图 5 是 得 到 的 分 析 结 果
5. 高 速 并 行 总 线 的 眼 图 测 试 图 5 80SJNB 软 件 得 到 的 分 析 结 果 对 于 FPGA 芯 片 提 供 的 高 速 并 行 总 线, 由 于 其 数 据 传 送 方 式 并 没 有 采 用 内 嵌 时 钟 的 方 法, 时 钟 可 以 作 为 触 发 信 号, 观 测 多 路 并 行 总 线 的 眼 图 由 于 并 行 总 线 的 通 道 数 比 较 多, 在 示 波 器 中 手 工 测 试 多 通 道 的 眼 图 比 较 繁 琐, 有 些 传 统 逻 辑 分 析 仪 虽 然 能 够 直 接 进 行 并 行 总 线 的 眼 图 测 试, 但 无 论 是 测 试 精 度 和 速 度 都 无 法 和 示 波 器 进 行 的 标 准 眼 图 测 试 相 提 并 论 除 了 能 够 通 过 FPGAView 对 简 化 FPGA 的 在 线 调 试,TLA 逻 辑 分 析 仪 能 够 配 合 TDS 示 波 器 对 FPGA 外 部 信 号 自 动 进 行 多 通 道 的 眼 图 测 试 和 分 析, 该 功 能 称 为 iverify 眼 图 测 试, 最 多 可 以 自 动 的 测 试 408 个 通 道 的 眼 图 泰 克 为 逻 辑 分 析 仪 和 示 波 器 集 成 提 供 了 一 个 信 号 完 整 性 测 试 工 具 包, 称 为 ilink 工 具 包, 分 为 iconnect,iview, 以 及 iverify 眼 图 测 试 三 个 工 具 iverify 是 建 立 在 iconnect 技 术 和 iview 技 术 的 基 础 上, 它 能 够 自 动 对 多 路 并 行 总 线 进 行 眼 图 测 试 来 彻 底 验 证 被 测 信 号 结 合 iconnect 技 术, 使 用 一 套 逻 辑 分 析 仪 有 源 探 头 进 行 信 号 逻 辑 和 模 拟 的 同 时 观 测, 逻 辑 分 析 仪 可 以 将 被 测 通 道 分 成 多 组, 每 一 组 3 个 数 据 通 道 送 入 到 示 波 器 中 进 行 眼 图 测 试, 示 波 器 的 第 4 个 通 道 作 为 外 部 时 钟 ; 采 用 iview 技 术, 逻 辑 分 析 仪 可 以 自 动 的 将 每 一 次 送 入 示 波 器 的 3 个 数 据 信 号 的 眼 图 测 试 数 据 会 传 到 逻 辑 分 析 仪 中, 这 样 逻 辑 分 析 仪 就 可 以 再 选 择 另 外 一 组 3 个 通 道 进 行 测 试, 对 于 复 杂 的 高 速 总 线, 可 以 一 次 测 试 408 个 数 据 通 道 最 后,iVerify 技 术 通 过 逻 辑 分 析 仪 将 最 多 408 个 数 据 信 号 的 眼 图 测 试 数 据 叠 加 显 示 出 来, 彻 底 验 证 总 线 中 出 现 的 信 号 完 整 性 问 题 图 6 是 在 TLA 逻 辑 分 析 仪 上 自 动 累 计 的 多 个 通 道 眼 图 数 据 的 色 温 显 示
图 14 TLA 逻 辑 分 析 仪 上 显 示 多 通 道 眼 图 测 试 结 果 6. 小 结 对 于 FPGA 中 的 高 速 串 行 和 并 行 IO 信 号, 需 要 根 据 被 测 信 号 特 点 和 速 度 来 选 择 合 适 的 测 试 和 分 析 工 具 当 测 试 信 号 完 整 性, 希 望 得 到 最 精 确 的 上 升 时 间, 下 降 时 间, 信 号 过 冲 和 震 铃 等 参 数, 带 宽 是 首 要 选 择 某 种 意 义 上 带 宽 越 高, 测 试 精 度 越 高 对 于 实 时 示 波 器 而 言, 高 速 采 集 内 存 是 眼 图 和 抖 动 等 信 号 完 整 性 测 试 的 关 键 对 于 采 样 示 波 器, 通 过 CSA/TDS8200 配 合 80SJNB 抖 动 和 噪 声 分 析 软 件, 不 仅 可 以 精 确 的 测 量 高 速 串 行 信 号 的 抖 动 和 噪 声, 并 且 能 够 根 据 测 量 结 果 进 行 精 确 的 抖 动 噪 声 中 每 一 个 分 量 的 分 离, 和 系 统 的 BER 相 关, 最 终 为 信 号 完 整 性 验 证 人 员 提 供 有 价 值 的 信 息 当 测 试 高 速 时 钟 或 数 据 抖 动 时, 泰 克 两 种 示 波 器 都 配 备 业 内 推 荐 的 抖 动 测 试 和 分 析 软 件, 帮 助 设 计 人 员 得 到 抖 动 结 果, 分 析 抖 动 产 生 的 原 因, 最 终 得 到 高 可 靠 性 的 系 统