高速串行数据链路的自动化一致性测试

引言

每一位从286时代就开始接触PC的朋友一定能深刻体会到计算机技术飞跃进步给我们的生活和工作带来的便利性，这些技术进步主要体现在CPU的主频越来越高，存储器容量越来越大，以及芯片与芯片、模块与模块、系统与系统之间互连总线的数据传输率也越来越快。图1描述了一块典型的计算机主板，其上运转的总线类型可能包括以太网、USB、PCIExpress、SAS、HDMI、SATA、FBDIMM和UWB等。这些总线结构的共同点是：①都是串行数据链路，发送和接收采用两对差分信号线传输，没有单独的时钟线，数据格式已包含了时钟,②数据传输速率非常高，能达到Gb/s甚至10Gb/s速率级别以上，因而串行数据也是设计中必须重点考虑的问题,③同一总线上的多个接口器件（或模块）很有可能由不同厂家制造，不同的电路原理、不同的PCB、不同的制造工艺，但却要运行在相同的总线架构中，因此如何保证不同厂家器件的操作一致性是电子工程师必须面对的挑战。

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图1 计算机主板上的典型总线标准

没有规矩，不成方圆。各个工业标准组织为促进行业发展，制定了相应的测试规范，要求进行认证的产品都必须完成指定项目参数的测试测量。例如，IEEE802.3分委员会专门制定了

10BaseT/100BaseT/1000BaseT三种速率级别以太网电接口的测试标准，定义了几十个测量参数的合格范围，包括眼图模板、抖动、上升时间、差分输出电平等。如果设计的总线产品经专门设备测量后，所有参数均符合规范要求，则认为产品设计是合格的，并能与其他厂家互相兼容的，这个过程称为“一致性测试”。又比如USBIF组织针对USB2.0接口的一致性测试也制定了完整的规范，设计师设计的USB2.0产品经测试后，必须全部符合规范要求，才被允许打上USB2.0标志，才能被其他客户认可。

高速串行数据链路的一致性测试是个复杂的课题，既要求测试设备厂家能提供高性能的仪器，又要求测试工程师能充分利用仪器去解决问题。大家都希望仪器是我们解决问题的一部分，而不是问题本身的一部分。美国力科公司在数字示波器和串行数据分析仪平台上提出了“自动化测试”的概念，为多个串行数据标准一致性测试提供完整的解决方案，包括最新的数字示波器和串行数据分析仪，能支持最高18GHz模拟带宽、60GS/s实时采样率。作为解决方案的一部分，力科还推出了自动化一致性测试软件包QualiPHY，致力于提高工作效率，降低工程师操作仪器和生成报告的复杂度，让工程师不会再觉得一致性测试是枯燥无味的任务。下文向大家介绍QualiPHY是如何帮助工程师应对高速串行数据链路测试面临的挑战的。

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图2 100Base-T过冲测试的示波器设置要求

一致性测试的难点

目前，进行串行数据链路一致性测试的主要仪器平台是高速数字示波器或串行数据分析仪（如力科公司的SDA），工程师在利用这些设备进行测试时，普遍面临下面介绍的困难。

1 如何掌握测试标准内容

随着串行总线技术的日益进步，信号完整性成为设计师最头疼的问题，包括串扰、EMI、抖动、反射、封装噪声、偏移和静电等，这些问题对设计、测试同样重要。各种串行总线的一致性测试标准均定义了以适应高速信号庞大的信号完整性分析需求。例如，100BaseT的一致性测试规范要求测量眼图、抖动、上升/下降时间、过冲/下冲、差分输出电平、高低电平对称性、占空比偏移等,USB2.0一致性测试规范对HighSpeed的Device分析也定义了几十个参数。每一种参数的测量对于示波器的使用都定义了设置参数，如图2所示就是以太网一致性测试对过冲参数测量的示波器设置要求。

测试规范对每种参数都有适用范围，实际测量值必须落在这个范围才被判定为合格。

所以，测试工程师既需要掌握完整的测试参数列表，又需要了解每种参数对应的示波器工作状态，还需要清楚每个参数的合格测量范围。这是非常复杂的工作。

2 如何设置测试环境

串行数据的信号质量分析和一致性测试一般都离不开测试夹具的辅助。夹具的主要作用是在不同的信号形式之间相互转换，比如以太网测试夹具就是将双绞线信号转换成探头信号。每个测量项目都需要测试夹具、被测器件和示波器三者之间建立合适的互连拓扑关系，准确掌握所有连接关系也是非常困难的事情。

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图3 USB2.0测试项目定制窗口