30GHz示波器助推高速串行信號測試邁入新時代

高速串行信號帶來的測試挑戰(zhàn)
消費者對通信和計算機(jī)產(chǎn)品的要求越來越高，不斷提升的速度、不斷增長的容量，但卻不能成正比變化的價格，成為用戶決定是否掏錢購買新款產(chǎn)品的基本要求。這些來自終端客戶的需求通過產(chǎn)業(yè)鏈逐級傳遞到產(chǎn)品研發(fā)工程師對測試儀器的需求層面。能設(shè)計出超高數(shù)據(jù)傳輸速率的通信產(chǎn)品，就一定需要性能匹配的信號測試工具，否則無法保證最終產(chǎn)品的性能、質(zhì)量和一致性。

五年前，數(shù)據(jù)吞吐率在3.125Gb/s的通信系統(tǒng)背板只是停留在少數(shù)頂尖通信設(shè)備商預(yù)研階段的概念，2.5Gb/s的PCI-Express G1協(xié)議也只是售價昂貴的高端通信產(chǎn)品才具備的內(nèi)部互連總線。而如今，傳輸能力達(dá)6.25Gb/s高速背板已經(jīng)非常普遍的應(yīng)用在通信設(shè)備上，單對線吞吐率高達(dá)12Gb/s的串行背板總線在技藝精湛的工程師手上也即將變?yōu)楝F(xiàn)實。更高傳輸速率達(dá)5.0Gb/s的PCI-Express G2也早已是普通PC聲卡、顯卡的標(biāo)準(zhǔn)配置。而實際上，高達(dá)8Gb/s的PCI-Express G3總線標(biāo)準(zhǔn)也將在2009年正式面世，還有4.8Gb/s的USB3.0接口、6.4Gb/s的FB-DIMM存儲器架構(gòu)，乃至10Gb/s的Serial Rapid I/O串行協(xié)議等。

5Gb/s以上新串行協(xié)議層出不窮，面對這么高速的測試信號，需要全新的思維：因為測試儀器本身已經(jīng)構(gòu)成了工程師診斷問題的障礙，示波器主機(jī)、探頭、測試夾具、電纜對被測信號哪怕是一點點的破壞，也可能讓你得出與事實完全相反的結(jié)論，這不僅需要示波器具備更高放大器帶寬和采樣性能，而且能夠去除由于測試設(shè)備的引入而對被測電路帶來的負(fù)面效應(yīng)；另一方面串行協(xié)議內(nèi)容越來越復(fù)雜，需要更高級的分析軟件和仿真模型來深入洞察問題的本質(zhì)。這兩方面催生工程師對測試設(shè)備的需求不斷提高，同是也給測試儀器廠商帶來巨大的挑戰(zhàn)。

為工程師提供匹配眼下乃至未來一段時間內(nèi)高速串行信號測試需求的數(shù)字示波器，降低工程師測試信號的難度和復(fù)雜度，讓他們把主要精力集中在產(chǎn)品設(shè)計上，而不是產(chǎn)品測試上，是具有領(lǐng)導(dǎo)地位的測試儀器產(chǎn)商不可推卸的責(zé)任。

圖1 QualiPHY串行協(xié)議一致性測試界面

滿足高速串行信號測試的高帶寬高采樣示波器
WaveMaster 8Zi系列示波器及串行數(shù)據(jù)分析儀，為工程師測試新一代高速串行信號提供了全面的解決方案。這款示波器的基本性能包括：最高達(dá)30GHz前端采集帶寬、最高達(dá)80GS/s的實時采樣率、最深達(dá)512Mpts的可分析波形內(nèi)存，大于15GHz的邊沿觸發(fā)帶寬、最長達(dá)80bit的串行觸發(fā)能力，以及標(biāo)配比傳統(tǒng)方法更精確的眼圖和抖動測量軟件包—SDA II，串行協(xié)議一致性分析集成化工具—QualiPHY，為分析高速串行鏈路信號完整性而量身定制的Eye Doctor II軟件包，這些示波器行業(yè)的多項創(chuàng)新設(shè)計為工程師分析從100Mb/s的百兆以太網(wǎng)到12Gb/s的高速通信背板信號質(zhì)量都提供了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。由于版面有限，關(guān)于該產(chǎn)品的詳細(xì)介紹請參閱其網(wǎng)站。

創(chuàng)新的高速串行數(shù)據(jù)分析方案
SDA 8 Zi串行數(shù)據(jù)分析儀基于WaveMaster 8 Zi系列示波器，標(biāo)配存儲器提高了一倍，可以捕獲眼圖中更多的單位間隔。同時擁有增強(qiáng)的高速串行碼型觸發(fā)功能，支持高達(dá)80位碼型，工作速度高達(dá)3.125Gb/s。

SDA8Zi標(biāo)配的串行數(shù)據(jù)分析平臺——SDA II功能非常全面，包括基于NQ-Scale技術(shù)的抖動分解方法及更精確的抖動分類工具，提高了工程師測量高速信號微小抖動的信心，也提供了更全面的洞察力，深存儲時的眼圖生成速度要比傳統(tǒng)示波器快20～100倍，可以在3秒內(nèi)捕獲、分析和顯示近100萬個PCI Express單位間隔。其他工具如IsoBER(由已捕獲的眼圖去推測更長時間的眼圖閉合情況)和模板違規(guī)定位器，可以簡便地了解復(fù)雜的問題。電纜補(bǔ)償功能可以去掉電纜失真影響，在高速眼圖上更準(zhǔn)確地測量定時和幅度。新推出的SDA 8 Zi分析儀同時標(biāo)配眼圖、時間間隔誤差、浴盆曲線、抖動直方圖及其他抖動分類分析等多個完整的視圖。使用QuickView(快速查看)功能，工程師可以快速“一鍵”了解到串行信號的全貌，包括眼圖和抖動的多角度視圖。

在一致性測試階段，可以對各種既定標(biāo)準(zhǔn)使用自動化QualiPHY軟件，如PCIe、SAS、SATA、HDMI、DisplayPort和XAUI。圖1所示為QualiPHY分析SATA一致性的操作界面，整個操作過程便捷，全面覆蓋標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測試項目，并能自動輸出美觀實用的測試報告。

創(chuàng)新的信號完整性分析方案
為了在最困難的測量環(huán)境中測試最快速的新興技術(shù)，需要使用帶寬高達(dá)30GHz的示波器。在50ps上升時間或 2.5Gb/s以下數(shù)據(jù)速率表現(xiàn)得不太明顯的測試挑戰(zhàn)，在上升時間接近或變成小于25ps或信息速率超過5Gb/s時成為不可規(guī)避的問題。在這些速度下，工程師面臨著以前只限于微波頻域的信號完整性問題，如不理想的測試夾具和連接電纜的負(fù)載效應(yīng)會從被測電路中汲取能量，從而降低幅度和相位測量的保真度。實現(xiàn)下一代高速串行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的工程師面臨著更快速、更復(fù)雜的信號挑戰(zhàn)，與此同時，串行數(shù)據(jù)通道(互連、傳輸線、背板)速度并沒有同步提高，導(dǎo)致串行數(shù)據(jù)通道中的信號劣化問題。另外，新興串行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)如USB 3.0，要求模擬(仿真)信號傳輸路徑，在所有用戶環(huán)境中都保證可靠的性能。最后，串行數(shù)據(jù)接收機(jī)硬件是為平衡信號劣化專門設(shè)計的，但工程師沒有任何途徑直接探測到SerDes接收端芯片內(nèi)部應(yīng)用了均衡優(yōu)化后的被測信號的性能，道理很簡單，因為沒有任何辦法可以將探頭伸入到芯片內(nèi)部。

解決方案是力科Eye Doctor II信號完整性系列工具，它提供了電纜和測試夾具反嵌功能、預(yù)加重和去加重建模功能、串行數(shù)據(jù)通道仿真功能和串行數(shù)據(jù)接收機(jī)均衡功能。Eye Doctor II能夠?qū)D2所示典型的串行鏈路進(jìn)行建模并仿真各個部分對信號的影響：

圖2 Eye Dr II對應(yīng)的串行鏈路模型

圖3 Eye Doctor II對串行信號均衡仿真效果

WaveMaster 8Zi支持對串行通道或測試夾具使用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的S參數(shù)描述，支持最多到16端口的信道模型，并將每個S系數(shù)以Plot的形式繪制在屏幕上，方便客戶多角度觀測信道質(zhì)量。獲得S參數(shù)文件的方法包括采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀或力科WaveExpert取樣示波器的TDR模塊，或采用專門的EDA仿真軟件。對均衡器的描述有兩種方法：第一，有經(jīng)驗的工程師可以輸入均衡器內(nèi)部每個抽頭的準(zhǔn)確參數(shù)；第二，只需輸入基本的信號參數(shù)如數(shù)據(jù)率、門限判別電平等，Eye Doctor II會訓(xùn)練出一套最優(yōu)化的抽頭系數(shù)。圖3是對芯片Pin測得已接近閉合的眼圖在均衡仿真后的眼圖，可以看出，對均衡后的信號做眼圖和抖動分析更有意義。