基于直接数字合成技术的高速串行信号接收端容限测试新方法

主要介绍串行信号的特性、传统数字信号源实现串行信号接收端容限测试的方法及其局限、直接合成信号源的实现方法及其优势，以及模拟信号源直接合成的方式在目前比较流行的串行标准中如SATA、Display Port、HDMI等的实际应用

引言

在系统或者芯片的验证过程中，使用高速串行信号标准的芯片的接收端测试都需要激励信号源，一直以来，设计人员几乎完全依赖数字信号发生器，为串行测试生成二进制信号。他们在数字信号中运用输入信号的幅度调节、注入抖动、相位偏移调节等手段来进行比较恶劣的工作环境的模拟，以考验接收端的接收容限。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更高的信号，并极大地减少复杂的测试设置和多种设备共用可能引入的测量误差。

直接数字合成方式产生信号的意义

串行信号完全由简单的二进制数1和0组成。为什么要使用直接数字合成模拟波形来表示数字数据呢？这是因为在数字信号中隐含的是模拟事件。书本上理想的数字信号的零上升时间和完美的“平顶”都是虚拟的，实际的工作环境具有噪声、串扰、反射、电源变化和其他缺点，每个缺点都会给信号带来影响。直接合成信号源的优点是能够完全“模仿”实际信号的模拟特点，可以任意控制信号的上升时间、脉冲形状、延迟、畸变、抖动变化规律等，这正是严格的串行总线测试所需的操作。泰克的AWG7000就是使用直接数字合成的方式产生信号的任意波形发生器，可以生成一个测试信号，拥有所需的全部时序、幅度和失真特点，而不是像一般的数字信号源那样先生成一个“干净”的理想信号，然后再通过各种组合去劣化信号来模拟真实环境。

实际工作环境中高速串行信号的模拟特性

由于传输介质的衰减以及反射会导致信号不同程度的劣化，具体表现为抖动的增大，信号幅度的衰减等。在实际工作环境中，随着信号速率的提高，传输介质对信号的影响越来越明显，信号一般会随信号速率和传输路径长度成比例劣化。在大规模的工程化生产制造过程中，可能会牺牲PCB、连接器、线缆的性能来换取成本的优势，这就更增加了接收端的容限要求。

由于时钟芯片的抖动影响，电源平面的波动干扰，以及串行信号周边低频但高能量的信号的串扰，这些都会导致串行信号发生时序上的变化，这种变化表现为信号边沿的抖动有规律的跟随着干扰信号的变化而变化；或者为了减少EMI的辐射，特意在时钟信号上叠加一个低频的调制，使信号的频率随着调制信号而有规律的升高或降低，频谱扩散在相对宽的频率范围内，而降低频谱的尖峰值，一般称为SSC(扩频时钟)。

为了减少传输介质的衰减而造成的波形的畸变和ISI的抖动成分的增加，提高传输过程中的信号完整性。业界普遍使用了去加重(de-emphasis)的技术，以补偿传输线对高频分量的衰减，改善接收机输入上的信号保真度。但必须在设计阶段全面评估串行设备对去加重的响应。在调试过程中可以根据实际的情况，调节去加重的比例以获得最好的传输效果。

传统数字信号源对串行信号特性进行模拟的方法

一般的数字信号源能够对比较单一的规律性变化的数字信号进行模拟，如信号中含有随机噪声，或者信号的抖动以单一的正弦规律或者三角波规律变化的情况。可以用多个仪器混合注入不同特性的抖动和噪声实现。但如果信号的劣化是不规则的或者以比较复杂的规律变化的，如在正弦抖动中含有电源或者其他高能量信号干扰引起的抖动，数字信号源就难以进行模拟了。

图1 数字信号源实现“去加重”特性信号的方法

对于串行信号标准中常用的“去加重”特性的实现，数字信号源则需要使用多通道以及Power Combiner电源组合器进行复杂的连接来实现，而且要精确控制多个通道的相位关系，否则得到的信号会与预期大相径庭，原理如图1所示，将CH1相对于CH2延迟一个比特位(UI),然后将两个通道相减，就可以得到图1去加重的信号。

使用直接数字合成原理的AWG(任意波形发生器)如何对串行信号进行模拟

直接合成是一种基于采样的技术。直接合成信号源 (AWG)从样点中创建模拟波形，在带宽和采样率能达到的范围内，AWG存储器中的样点基本上可以定义任何波形，这些样点可以从示波器采集的实际波形中获得，也可以采用公式或者算法去任意定义。

图2 直接数字合成信号源对串行信号的模拟方法

直接合成信号源除了能够合成含任何抖动规律或者噪声的信号，建立随机抖动和确定性抖动的影响模型,以定量方式和定性方式改变施加的效应外，还能模拟信号在传输时由于特定介质的不同特性导致的衰减、反射、串扰等信号的畸变。而且不需要使用复杂的外部设备去注入抖动或者噪声，所有的信号特性都在仪器的处理器和存储器中合成，所以连接非常简便，同时可以减少仪器之间互联可能引起的错误或者不确定性，如图2所示。

对于合成信号的速率、抖动注入的频率和幅度、噪声的幅度以及信号的上升时间，均可以通过泰克的SerialXpress软件方便快捷的进行定义，并可以实时模拟实现效果，如图3所示。

图3 使用SerialXpress软件对串行信号特性进行定义

对于去加重信号的直接合成方法完全不同于数字信号源，但得到的结果确完全相同。AWG存储的信号已经包含“去加重”特性，因此不需要生成及外部组合两条数据流，以得到合成信号。如图4中单一通道的输出就可以实现。而且“去加重”的比例如-3.5dB、-6dB等可以根据需要任意的调节。

图4 直接数字合成信号源对串行信号的“去加重”特性的模拟方法

直接合成信号源(AWG)在目前流行的串行总线一致性测试中的应用

1 SATA总线的一致性测试

目前SATA Workgroup已经发布了发送端、线缆以及接收端的一致性测试规范和实现方法。SATA的接收端抖动容限一致性测试要求DUT进入回环模式。在设备处于这种模式时，由测试仪器（信号源）发送含抖动的信号给DUT的接收端，然后DUT的发送端就会对已经收到的信号做出正确的响应，最后由错误帧检测器(Frame error detector)去检测DUT的发送端响应输出的数据是否正确，或者可以逐步调大信号源注入的抖动幅度，直到Frame error detector检测到错误帧出现，此时获得的抖动幅度就是接收端的抖动容限值。传统上需要外部PC上运行专门的应用软件来强迫DUT进入回环模式。遗憾的是，一旦断开信号源以后，大多数收发机就会自动退出回环模式，返回正常操作，因此无法再继续进行测试。应对这一挑战的常用解决方案是通过功率合成器向DUT 输送BIST-L 命令，如图5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，开始把测试数据发送到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他机械问题的机会；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%。

图5 数字信号源实现SATA接收端抖动容限测试的方法

如果采用AWG直接合成的方法，仪器可以代替PC发送回环指令。它不需要功率合成器或运行BIST-FIS软件的PC。图6是基于AWG的抖动容限测试系统：一台仪器生成输入信号，一台仪器读取输出。通过SATA的测试配置可以看出，通过AWG采用直接数字合成方法构建测试环境非常简单和方便。

图6 直接数字合成信号源实现SATA抖动容限测试方法

2 DisplayPort 总线的一致性测试

在Display Port Compliance Test Specification Version1的接收端抖动容限测试中，要求信号源提供包含不同的抖动频率、抖动幅度以及抖动成分的信号，输入到Sink的接收端，然后看Sink的误码率来考验接收端的性能，这对于传统的数字信号源是一个挑战，请看图7中的传统数字信号源的解决方案，为了合成复杂的抖动成分，需要额外的增加一个噪声信号发生器和矢量信号发生器，而且两者还需要用Power Divider合成起来去给数字信号源注入抖动，整个测试环境的构建十分复杂。而图8的使用直接合成信号源实现方法的独特优势在于它只需按一个键，就可以输出合成的信号，这些信号包含正弦、ISI、Rj、Pj抖动、预加重、平衡、跳变时间和幅度控制,连接简便而且测试的一致性和可重复性均很高。

图7 传统数字信号源实现DisplayPort接收端抖动容限测试的方法

图8 AWG采用直接数字合成信号源实现DisplayPort抖动容限测试的方法

3 HDMI的一致性测试

在HDMI 的CTS1.3b的规范中，要求在Sink的抖动容限测试中除了加入两种频率的抖动外，还需要加入TTC(transition time converter)以及Cable emulator以保证信号的上升时间以及抖动成分符合规范要求。数字信号源使用如图9所示的方式来实现。

图9 数字信号源实现HDMI接收端抖动容限测试的方法

对于TTC,要求不同的测试频率加入不同的TTC，分别为：74.25MHz/450ps、148.5MHz/220ps、165MHz/200ps、222.75MHz/150ps、340MHz/60ps。对于Cable emulator,同样要求在不同的测试频率使用5种不同特性的cable emulator。

根据规范对于Sink的测试，需要测试其在不同的时钟频率下的性能。这可能会导致在测试过程中频繁的更换不同的TTC和Cable emulator。除了花费大量的时间外还可能会导致频繁的改变连接引起的信号接触不良等因素造成的测试差异。另外由于Cable emulator和TTC价格昂贵，需要额外支出大笔费用。采用直接合成信号的方式产生信号，TTC和Cable emulator的特性均可以采用AWG来进行模拟。同样如图8所示，无论是测试DisplayPort还是HDMI，都可以方便通过AWG配合直接数字合成的方法在配置简单的情况下，方便地产生各种高速串行信号。

结论

直接数字合成的方式能任意的创建各种标准高速串行信号，使产生信号拥有一致性测量、极限测试和调试所需的全部特点，包括多电平信号、简单的SSC时钟调制、复杂的抖动和信号失真。这种技术可以在极大的简化测试连接的同时实现很好的测试一致性和可重复性。在未来的各种高速串行数据的信号完整性测试过程中，这种信号合成方法正为越来越多的串行信号测试标准委员会所采纳。