時鐘恢復(fù)單元對誤碼測試的影響

  ICCSZ訊 簡介

  對于一個誤碼儀(BERT)的基本結(jié)構(gòu)來說，可以分為高速信號產(chǎn)生(PPG)和信號接收(ED)兩大部分。目前需要進(jìn)行誤碼測試的被測電路都是1至8通道的高速串行信號，在IEEE 100G Ethernet的802.3bj和OIF-CEI的25G-LR和28G-SR的標(biāo)準(zhǔn)中，都需要進(jìn)行誤碼測試和抖動容限的測試，其中硬件平臺的構(gòu)建都離不開在不同的環(huán)境下比對誤碼。

  在實際測試過程中對接收端的要求非常嚴(yán)格，因為針對被測電路誤碼率達(dá)到10-12至10-15的典型要求下，接收機(jī)做為測試設(shè)備自身產(chǎn)生的誤碼需要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于被測電路。 因此穩(wěn)定可靠，并且能夠靈活適應(yīng)不同研發(fā)生產(chǎn)的需求是非常關(guān)鍵的一點。對于所有的高速接收電路而言，時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)都是里面的最關(guān)鍵環(huán)節(jié)，誤碼儀也不例外。下面我們針對誤碼測試的接收端進(jìn)行詳細(xì)的討論。

  01

  誤碼儀接收機(jī)(ED)測試概覽

  靈敏度測試

  對于被測高速電路的接收端需要進(jìn)行接收機(jī)靈敏度的容限測試，在由BERT組成的測試回路過程中，BERT自身接收機(jī)的靈敏度需要高于被測電路。

  抖動容限測試

  由于所有的高速標(biāo)準(zhǔn)都要求抖動容限測試，BERT的發(fā)送端產(chǎn)生經(jīng)過校準(zhǔn)的高速損傷信號(添加抖動)送到被測電路(DUT)的接收端，然后DUT內(nèi)部環(huán)回到DUT的發(fā)送端送出信號給BERT的接收端。對于低頻和中頻抖動而言，無法被DUT內(nèi)部的CDR過濾衰減，所以抖動分量都會被環(huán)回到BERT的接收端。對于BERT接收機(jī)的CDR需要有非常高的環(huán)路帶寬和抖動抑制能力，才能保證測試回路沒有誤碼。另外在研發(fā)過程中進(jìn)行抖動容限測試可以表征出CDR在不同抖動頻率下的衰減和放大，實際上就是CDR中的PLL的環(huán)路帶寬。

  噪聲容限測試

  所有超過25Gbps的高速總線，都是由多條收發(fā)器接口組成，由于高速信號之間的串?dāng)_會導(dǎo)致誤碼，所有的標(biāo)準(zhǔn)都要求噪聲容限測試，一個BERT產(chǎn)生經(jīng)過校準(zhǔn)的高速的損傷信號(添加噪聲)送到DUT的接收端，然后DUT內(nèi)部環(huán)回到DUT的發(fā)送端送出信號給BERT的接收機(jī)。另外一種方式是通過用戶針對實際環(huán)境構(gòu)建的測試板或者測試夾具來耦合噪聲，這樣就需要多通道非相位同步的誤碼儀碼型發(fā)生器作為噪聲源來耦合到被測試信號中去。

  高速低功耗DUT的接收機(jī)測試

  當(dāng)前流行的超過25Gbps的高速電路，功耗非常低，在DUT的發(fā)送端輸出的幅度比較小。當(dāng)構(gòu)建硬件測試環(huán)境的時候，DUT的發(fā)送端往往需要經(jīng)過比較長的電纜連接到BERT的接收端或者外部CDR。在實際測試過程中就需要首先通過優(yōu)化DUT的發(fā)送端和BERT的接收端的設(shè)置，保證無誤碼，才能夠進(jìn)行后續(xù)測試。

  下面是一個典型的BERT和DUT構(gòu)建的測試環(huán)境。

  02

  BERT接收端的構(gòu)架和關(guān)鍵指標(biāo)

  傳統(tǒng)臺式誤碼儀的接收機(jī)提供高頻全速率或者半速率的采樣時鐘輸出，以及高速差分?jǐn)?shù)據(jù)輸入。ED內(nèi)部的高速比較器進(jìn)行數(shù)據(jù)鎖存，然后通過內(nèi)部預(yù)設(shè)的數(shù)據(jù)碼型(以PRBS隨機(jī)碼為例)來進(jìn)行每一個比特的比對。在小于10Gbps的誤碼測試應(yīng)用中，由于整個信號鏈路的在奈奎斯特頻率的衰減相對較小，傳統(tǒng)的接收端在大多數(shù)情況下不需要特別的均衡和其他設(shè)計考慮就可以保證穩(wěn)定無誤碼的接收信號。所以最新的誤碼儀都必配或者選配了信號均衡模塊以及時鐘恢復(fù)模塊。

  接收機(jī)信號均衡

  前面提到的很多高速測試環(huán)境都需要接收機(jī)ED或者CDR有很高的靈敏度，并且能夠有效的對DUT發(fā)送出來的高速信號進(jìn)行均衡(特別是在信號幅度低的環(huán)境下)。由于傳統(tǒng)的BERT體積過大，從DUT的發(fā)送到ED的接收端需要很長的電纜，并且DUT的信號特征未知，所以接收機(jī)(ED)的均衡就變得非常重要。外接固定點頻的無緣均衡器支持的速率有限，并且會對低頻和中頻信號有衰減，應(yīng)用的范圍非常有局限。目前主流的設(shè)計都采用內(nèi)置均衡功能來應(yīng)對不同的測試環(huán)境的信號衰減和失真，并且支持寬速率范圍。 下面是一個常用CTLE均衡的例子，可以看出一個CTLE的曲線有3個最主要的部分。

  第一個是低頻部分的衰減或者放大，這個一般統(tǒng)稱為直流增益，這個低頻部分對應(yīng)傳輸數(shù)據(jù)過程中的那些長零和長一的碼型。 因為一個偽隨機(jī)碼型里面包括了每周期都跳變的時鐘碼型，同時也包括了不怎么跳變的碼型。

  第二個就是高頻部分(接近奈奎斯特頻率)的放大。就像下圖顯示的箭頭，越高表示放大越多。高頻放大和低頻衰減/放大的相對差異是一個CTLE真正的放大能力。

  第三個就是高頻放大的頻點的選擇，應(yīng)對不同的速率范圍，CTLE可以靈活的左右平移放大頻點。

  對于最新的BERT 接收端，為了保證均衡的正確和易用性，都配備了自動對準(zhǔn)和均衡功能，并且均衡結(jié)束后還提供實時的快速眼圖來表征經(jīng)過均衡后的鏈路健康程度。 這樣就屏蔽了上述的復(fù)雜度，讓使用人員最大時間精力放在調(diào)試DUT的問題上。

  誤碼比較器ED

  由于需要DUT產(chǎn)生全速或者半速率的時鐘，時鐘和數(shù)據(jù)的延時以及時鐘和數(shù)據(jù)經(jīng)過電纜后的衰減失真很難把握，所以BERT的ED內(nèi)部一般都有一定范圍內(nèi)的水平時間延時對準(zhǔn)和垂直幅度門限對準(zhǔn)功能。但是對于很多實際的測試環(huán)境而言，DUT并不或者無法提供高速時鐘，這個時候?qū)τ趥鹘y(tǒng)的ED就無法進(jìn)行誤碼測試。

  03

  時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)CDR

  時鐘恢復(fù)的基本原理

  絕大多數(shù)的誤碼儀都標(biāo)配或者選配時鐘恢復(fù)功能，它的性能對誤碼測試結(jié)果有非常大的影響。下面是一個典型的時鐘恢復(fù)的原理圖，它有相位檢測器、環(huán)路濾波器、一個壓控振蕩器VCO以及一些反饋電路組成。在實際應(yīng)用中一個CDR往往是接收一路差分輸入數(shù)據(jù)，然后恢復(fù)出一路時鐘，一路同步的數(shù)據(jù)，然后傳送給采樣比較器電路，鎖存數(shù)據(jù)。對于絕大多數(shù)的CDR而言，在測試回路中起到的僅僅是恢復(fù)高精度的時鐘和數(shù)據(jù)的作用。但是CDR自身設(shè)計一般帶有PLL，所以不可避免的會有PLL環(huán)路帶寬不足的限制，以及在某些頻段的抖動放大(peaking)作用。如果按照PLL的經(jīng)典環(huán)路帶寬要求，一般要求CDR環(huán)路帶寬是DUT 環(huán)路帶寬的1倍左右，例如在25Gbps下的CDR環(huán)路帶寬最好大于30MHz。

  時鐘恢復(fù)在接收機(jī)測試中的作用

  接收機(jī)的抖動和噪聲容限測試中，通常需要下圖所示的硬件環(huán)境和設(shè)置。CDR時鐘恢復(fù)模塊是其中最關(guān)鍵的硬件設(shè)備，CDR模塊的PLL必須提供足夠的環(huán)路帶寬來保證測試的精確性。

  1. PPG碼型發(fā)生器產(chǎn)生高速串行信號，插入抖動和噪聲;

  2. PPG輸出連接到ISI通道(背板或者線纜)，經(jīng)過通道后的高頻分量衰減;

  3. 經(jīng)過衰減和損傷注入的高速數(shù)據(jù)信號送入到DUT接收機(jī);

  4. DUT接收機(jī)環(huán)回接收到的數(shù)據(jù)到DUT 發(fā)送端，發(fā)送端發(fā)送環(huán)回的數(shù)據(jù)到CDR模塊;

  5. CDR模塊輸出時鐘和數(shù)據(jù)后提供給ED進(jìn)行BER誤碼測試。

  當(dāng)進(jìn)行JTOL抖動容限測試時，絕大多數(shù)的DUT需要CDR時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)模塊，然后進(jìn)行誤碼率測試，目前典型的ED內(nèi)置CDR模塊和外置臺式CDR的環(huán)路帶寬小于20MHz，由于需要PICK-OFF TEE來配合，不僅設(shè)置環(huán)境復(fù)雜，而且JTOL的精度受到限制。

  時鐘恢復(fù)在發(fā)送端測試中的作用

  對于高速串行總線的發(fā)送端測試，標(biāo)準(zhǔn)往往明確要求了進(jìn)行抖動測試時環(huán)路帶寬的設(shè)置。示波器是進(jìn)行發(fā)送端測試的標(biāo)準(zhǔn)工具。實時示波器由于能夠單次采集所有數(shù)據(jù)，通過內(nèi)置的抖動眼圖分析軟件對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，所以可以通過軟件CDR來實現(xiàn)時鐘數(shù)據(jù)的恢復(fù)。而采樣示波器由于是等效取樣模式，必須要外置的時鐘恢復(fù)模塊把PLL的環(huán)路帶寬調(diào)整到標(biāo)準(zhǔn)要求的4MHz到20MHz左右，進(jìn)行眼圖和抖動測試。

  外置時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)CDR的誤碼儀

  傳統(tǒng)BERT誤碼儀提供了額外的時鐘恢復(fù)CDR功能選件，一般是一個外置的CDR硬件通過電纜連接DUT的發(fā)送輸出和BERT的ED輸入。 CDR可以從DUT發(fā)送出來的數(shù)據(jù)恢復(fù)出高頻時鐘和數(shù)據(jù)，進(jìn)而連接ED進(jìn)行誤碼測試。但是CDR的速率一般局限在某一個范圍，很多情況下恢復(fù)出來的時鐘和數(shù)據(jù)有非常大的相對時間延時，導(dǎo)致ED無法在正確的采樣時鐘下，采樣所需的輸入數(shù)據(jù)。另外的限制是需要外接額外的硬件補(bǔ)償電纜來進(jìn)行時鐘和數(shù)據(jù)skew的匹配，這樣不僅會增加設(shè)置連接的復(fù)雜度，增加成本，還會引入額外的信號衰減失真和相對相位關(guān)系的漂移。

  內(nèi)置時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)CDR的誤碼儀

  為了彌補(bǔ)外置時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)的性能限制，以及繁瑣的高頻電纜連接DUT和誤碼儀，中星聯(lián)華科技XBERT系列誤碼儀都采用了集成ED和CDR的方案，這樣可以很好的解決時鐘數(shù)據(jù)的相位偏移和漂移，同時無需DUT產(chǎn)生任何高速時鐘。對于接收機(jī)測試而言，內(nèi)置時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)是目前最穩(wěn)定可靠的測試方案。

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