AWG在高速串行信号接收性能测试中的应用


连载一:

以前,客户只关心Transmitter的测试,但现在越来越多的客户开始关心Receiver的测试,Transmitter的测试非常简单,只要一台示波器就可以了,其测试主要是评估系统发送信号的质量。Receiver的测试相对复杂,其评估的是系统接受的容限,系统能够正确接收越差的信号,表示其接收性能越好,除了示波器外还需要一台或者数台信号源,该信号源不只是简单输出一个标准信号,而是需要在标准信号的基础上注入各种干扰或者抖动成分,并且这些干扰和抖动成分都必须精确量化,才能判断系统或者芯片的Receiver的性能。

现在在各个高速串行的标准测试里面,泰克无一例外都是推荐AWG(任意波形发生器)作为信号源的,很多客户看了AWG的性能指标后都觉得很意外,AWG的性能指标并不是很高,比如说抖动,输出信号的速率等等,为什么会使用其作为高速信号源呢?其实AWG是一台性能满足但功能极其强大的信号源,顾名思义,任意波形发生器,它可以模拟自然界的任何信号,弱至喃喃细语,风吹草动,强至飓风地震,山崩地裂。各种自然环境变化中产生的规则或者不规则的信号都能通过它来模拟,如果你知道规则的话,可以用数学函数的公示表达来生成,如果你不知道规则,你可以用示波器捕获信号然后通过AWG来生成。我们成都有位AWG的专家田公子就曾经用AWG生成自己的名字显示在示波器上,我也听说过某个高等佛学院用AWG产生出一个莲花宝座显示在大堂的屏幕上。听起来好像神乎其神!

很多客户都将AWG和其他公司的BERT的性能进行比较,我现在也根据他们的工作原理,性能指标和应用特性进行一些分析比较,仅供大家参考。

工作原理:

AWG称为任意波形发生器,采用直接数字合成的方式产生信号,既可以合成数字信号,又可以合成模拟信号和带调制的射频信号,任意形状的波形只要在采样率和带宽允许的情况下都可以下载到仪器中,进行数字合成后再输出,波形定义的方法可以采用公式编辑,泰克软件编辑,甚至手动描绘的方式。其能够将噪声,抖动,衰减,预加重,畸变等等波形特性都在合成过程中一次性的注入波形中,而且能够将不同信号特性的波形依次无缝输出,中间没有任何的时间间隔。 Bert 是纯粹的数字信号源,只能产生数字信号,其是通过改变参考时钟的特性,来改变输出信号的频率和抖动,对于抖动注入的特性,只能支持简单的正弦PJ(周期抖动),ISI(码间干扰)等,无法支持复杂的抖动类型,类如三角波抖动,不规则抖动,也不能支持预加重,特定的波形畸变,如果需要支持特别的抖动和信号畸变,都必须通过外部的设备或者器件通过硬件合成来实现。

主要性能指标:

 上升时间最高输出带宽TjRj最高输出信号速率
AWG7122B75ps9.6GHz30ps(10^12)0.9ps10Gbps
E4***A-03775ps未定义30ps未定义3.4Gbps
E4***A-00720ps未定义9ps 7Gbps
N4***B-C0720ps未定义9ps 7Gbps
N4***B-C1320ps未定义9ps 12.5Gbps

在BERT的抖动规格定义中,仅仅定义了PK-PK的抖动,而未定义基于的比特数量,所以不是非常客观的参数,随着样本数量的增加,抖动会加大,泰克是明确定义了基于10^12的样本数量下的总体抖动值。AWG7122B的worst case的抖动值远远能满足当前所有的高速串行标准的要求,请参考下面常用的串行标准所要求注入的最小抖动值。(下面所有指标均从相关规范可以查到)

USB 3.0 5Gbps65psSATA 6Gbps82.67ps
HDMI 3.4Gbps101psDisplayport 2.7Gbps179ps

传统的数字信号源如何对串行信号的特性进行模拟

1. 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。可以用下图方法在信号中使用多个仪器混合注入不同特性的抖动和噪声实现。


使用数字信号源对规律变化的串行信号进行模拟的方法

2. 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器件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,原理如下图7,将CH1相对于CH2延迟一个比特位(UI),然后将两个通道相减,就可以得到下图去加重的信号。


数字信号源实现“去加重”特性信号的方法

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。直接合成信号源或称为任意波形发生器(AWG)则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。现在最新的AWG7102能支持高达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。 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。


直接数字合成信号源对串行信号的模拟方法

对于合成信号的速率,抖动的注入的频率和幅度,噪声的幅度以及信号的上升时间,均可以通过泰克的Serial Express软件方便快捷的进行定义,并可以实时模拟实现效果。也可以调入通道的S参数模拟信号经过相应的通道传输后的效果。


使用Serial Express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。如下图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。



连载二:

直接合成信号源(AWG)在目前比较流行的串行标准的一致性测试中的应用

1, SATAG1/G2/G3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 Gen I ,Gen II GIII 的接收端抖动容限一致性测试,要求DUT 遵守采用特定帧信息结构(FIS-Frame Information Structure)的内置自检(BIST-Built-In Self Test)指令,在收到特定序列的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,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作出正确的响应,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。这种方法必不可少,因为整个收发机通常是在芯片上实现的,因此不能接入内部信号路径进行探测。传统上,BIST-L 指令一直是外部PC 提供的,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BIST 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。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11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引入噪声和失真。

但如果采用AWG直接合成方法的话,仪器可以代替PC发送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,在两者之间不会有中断。它不需要功率合成器或运行BIST-FIS软件的PC。图12是仅由两台仪器组成的基于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。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。

2.Displayport 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PLL性能,如下表1, 这对于传统的数字信号源是一个挑战,请看图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去注入抖动。而图14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。


表1 DisplayPort Sink抖动容限测试规范中要求输入信号的抖动特性


图 数字信号源实现DisplayPort接收端抖动容限测试的方法


图 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CTS1.4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。数字信号源使用图15的方式来实现。

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.如下表2.

Typical(MHz)1st Cable Emulator2nd Cable Emulator
27Type1 Cat1+Cat2Type2 27MHz
74.25Type1 Cat1Type2 75MHz
148.5Type1 Cat2Type3
222.75Type1 Cat2Type3
340Type1 Cat2Type3


对于Automotive的Type E的接口,又新增加了两种类型的Cable Emulator而且目前只能支持74.25MHz,未来的148.5和更高分辩率还需要增加更多的Cable Emulator.

 Automotive Cable Emulator
27Type 1Automotive1+Automotive2
74.25Type 1Automotive1

表2 HDMI Sink抖动容限测试所要求的Cable emulator的类型

根据规范,对于Sink的测试,要求测试其在不同的时钟频率下的性能,这就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会导致频繁的改变连接导致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,而且有部分类型的Cable emulator设备厂商并不对外销售,使客户无法购买或者需要额外支出大笔费用。 而采用直接合成信号的方式产生信号的话,则可以不需要额外的TTC和Cable emulator,而TTC和Cable emulator的特性均可以采用AWG来进行模拟。如图16所示,通过AWG输出的信号就是包含了规定的抖动频率和抖动幅度而且加入了TTC和Cable emulator所带来的抖动和衰减的影响。换言之,可以直接将AWG的输出直接连接到DUT的输入端进行测试,而不需要进行复杂的附件连接。


图 数字信号源实现HDMI接收端抖动容限测试的方法


图 直接数字合成信号源实现HDMI抖动容限测试的方法

4.USB 3.0的一致性测试

当进行抖动容限测试的时候,除了发送端和接收端的参考时钟必须加入SSC以外,预加重电平设置为-3dB,电压设为0.75V,DUT设置为环回模式,测试需要注入确定性抖动Dj(确定性抖动的改变是通过对Sj每次注入改变)和随机抖动(Rj不变)。测试点在TP1注入抖动的要求如下:

FrequencySJRJ
500kHz400ps2.42ps
1MHz200ps2.42ps
2MHz100ps2.42ps
4.9MHz40ps2.42ps
50MHz40ps2.42ps


带有直接合成技术的AWG7000B系列,它能够直接创建带有抖动的码型和预加重等,代替了之前需要使用包括BERT、噪声发生器和抖动发生器三台仪器的方案,大大提高了测试的精确度和效率。由于它能够生成更高测试要求的受损波形,即使今后测试规范更新和改进,也完全可以满足要求。

泰克的AWG7122B通过SerialXpress可以非常方便的生成各种受损波形,加入PJ,RJ,ISI以及预加重;可以方便的进行Reference Cable Emulation ;仿真用户自定义长度的线缆,用户可以确定自己的DUT能够正常工作的线缆的最大长度;产生用户自定义SSC profile(比如测试需要仿真SSC的Noise以及df/dt的变化);进行Sj的注入无需考虑硬件的限制,完全通过软件产生;支持复杂的预加重功能要求;直接合成相应波形进行LFPS的测试。

下图是Agilent的USB 3.0的配置方案, 需要多台仪器进行组合。

5.无线USB的测试:

由于无线USB采用MB-OFDM的调制方式,最高频率为10.296GHz,一般的数字信号源是无法直接实现这种调制输出的,其必须配合基带信号源和调制信号源才能进行输出,而AWG设备则可以采用直接合成的方法直接输出。AWG可以直接模拟基带,数字中频和射频信号。

  2010-11-14 08:00:00

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