最新的高速信号虚拟探测和均衡技术

1. 引言
在高速serdes系统中， PCB的长距离传输线、连接器、过孔的阻抗不连续等因素对信号造成很大衰耗，比如6.25Gb/s的信号在FR4上走25英寸或者更远之后的眼图已经无法张开，为了解决这种衰耗问题，往往有两种方法，一种是在发射端使用预加重技术，一种是在接收端使用均衡技术。
由于在SERDES接收芯片内部集成了均衡器，以补偿信号的过大衰减，但是测试时，直接测量接收端的信号基本没有意义，因为这根本无法代表接收信号的真实性能。在示波器内部集成滤波器，让客户订制滤波功能来仿真接收芯片的均衡特性，是目前高速测试的解决方案之一。
中兴通讯EDA高速实验室作为公司的高速测试平台，解决过E1业务板、以太网口、千兆光口、高速互联系统等众多问题，对均衡测试等前沿技术也进行了研究，本实验室将以LeCroy的SDA6000A（带宽6GHz，20GS/s）为例，介绍最新的高速串行信号虚拟探测和均衡技术。SDA6000A的虚拟探测和均衡分析工具叫Eye Doctor，它是一个集成在LeCroy示波器内部的功能强大的软件包。
2. 使用Eye Doctor进行高速信号测试
一、Eye Doctor功能介绍
虚拟探测：
允许在系统的任何一个比较方便位置测试，然后反映出其他位置的波形。这些位置包括测试系统中不能探测的位置，比如芯片内部。
可以提高测试精度：把仪器、探头、夹具带来的影响去掉；在信号最强的地方（通常是发射端）进行测试，然后推算出信号较弱地方的波形，而在发送端测试有更高的信噪比，比直接在接收端测试效果更好。
使用通用的S参数作为模拟器的语言（S参数可以用矢量网络分析仪或者仿真建模软件提取）。
接收均衡器模拟：
高速串行芯片往往嵌入了接收均衡器，通过示波器的均衡模拟技术复现信号，可以反映出系统的真实性能。
二、原理
1、 虚拟探测

图1 虚拟探测原理
图1所示为Eye Doctor的虚拟探测原理，它由一个虚拟探测器件构成，相当于一个黑盒子，其性能跟输入的S参数有关，该S参数代表传输系统的网络参数。虚拟探测器左边输入实际测试得到的波形（比如发射端波形），右边输出即为虚拟探测波形（比如接收端或难以探测点的波形）。它最多可支持8端口输入和输出的系统，描述语言类似于Spice，接收Touchstone格式的S参数。
2、 接收均衡器
在高速数据传输中，为防止信号失真，通常有两种方法：一种是发射端采用预加重（Pre-emphasis），另一种是在接收端使用均衡技术，其结构如图2所示。

图2 高速数据传输系统
预加重Pre-emphasis：为抵消传输通道的衰减，预加重通过加重任何信号变化后的第一个数据符号来对发射信号进行预失真处理，从而消除信道中脉冲响应的前沿过冲和后沿拖尾。
接收均衡器receive equalization：接收均衡器通过在接收端放大信号中的高频分量来补偿传输损耗，而低频分量保持不变，让信号眼图张得最开。是预加重的一种替代或互补方案。
判决反馈均衡器Decision feedback equalization (DFE)：根据解码数据改变信号的幅度，一个经典的判决反馈均衡器的结构如图3所示。 [p]

图3 判决反馈均衡器的结构
前馈均衡（FFE）的作用是去掉信号互调干扰，并将来自接收数据流的噪声“漂白”。DFE监测判决限幅器（Slicer）的输出，取出与限幅器判决相关的噪声，并反馈到限幅器的输入端，并从下一个信号中减掉。在FFE-DFE系统中，FFE和DFE的抽头数对整个均衡器有很大的影响。
Eye Doctor的作用图4所示：

图4 Eye Doctor的应用例子
三、应用实例：
下面以中兴通讯EDA高速实验室的一个实际应用案例来说明Eye Doctor的应用。对图5所示的一个高速背板互联系统进行测试，信号经过连接器和背板，走线长度约为40In。

图5 高速互联系统
1、发送端信号波形和眼图
信号波形（图6）：

图6 发送端信号波形
眼图质量很好，如图7示：

图7 发送端眼图 [p]
2、接收端信号波形和眼图
信号经过背板和连接器，到达接收端，信号变差，眼图变小，如图8、图9所示。如果不使用均衡技术，系统很容易出现误码，因此在高速接收芯片内部通常需要嵌入均衡器。

图8 接收端信号波形

图9 接收端眼图
3、虚拟探测得到的接收端波形
下面我们来看看用eye doctor虚拟探测得到的接收端波形，在探测过程中，需要把传输网络的S参数输入到虚拟探测器件里面（图10）。该S参数EDA高速实验室使用网络分析仪加辅助子卡测试得到，如果实际应用时S参数不容易得到，也可以通过一些仿真软件提取，EDA高速实验室通常会使用SIwave、HFSS来提取S参数。

图10 使用eye doctor进行虚拟探测 [p]
把虚拟探测波形和实际测试波形进行比较如下，可见吻合的相当的好（图11），虚拟探测可以作为测试的重要辅助手段。

图11 虚拟探测Vs实测波形：黄色为探测波形，青色为实测波形
4、均衡模拟器
把经过背板的已衰减信号加到示波器的均衡模拟器上，查看经过均衡的信号眼图。根据接收芯片实际情况，我们把FFE和DFE的抽头数分别设为3和1，点击Train，对均衡器进行训练（图12），就得到了均衡后的信号，其眼图如图13所示。

图12 均衡器的设置

图13 经过均衡的接收端眼图 [p]
对比图9可见，眼图质量大大提升，这代表了系统的真实性能，在测试仪器内嵌入均衡技术已经成为高速测试的解决方案之一。
注：眼图显示时看到波形切断现象的解释：
均衡算法时会对采样点进行幅度的提升，使均衡后的波形与理想的波形（下图中的decode的波形）相减后得到的差值最小。对于高频的码，为了补偿其衰减，均衡后的波形可能在上升或下降沿出现比较高的类似于过冲的波形，眼图显示时可能会看到切断的波形。

3. 结论
在本例中，中兴通讯EDA高速实验室通过使用虚拟探测和均衡技术解决了高速串行信号的测试问题。在高速数据传输中，往往采用均衡处理技术来扩展信号的传输距离，直接测量接收端的信号基本没有意义，因为这根本无法代表接收信号的真实性能。在测试仪器内嵌入均衡技术来复现系统的真实性能，已经成为高速测试的重要解决方案。
Eye Doctor是LeCroy高端示波器的一个软件包，它包含两个功能：虚拟探测，均衡模拟。这是高速串行数据测试中非常重要的功能，有时候是必需的。
虚拟探测是高速测试中的一个新方法，可以做得相当准确，但需要系统的S参数，这并不容易得到，可以通过一些仿真软件提取。
参考资料
1. （美） LeCroy Corporation，Eye Doctor Operator''''s Manual，2007年1月
2. （美） Leo Wong， Rambus公司，如何解决高速背板的信号完整性问题，2006