時鐘恢復單元對誤碼測試的影響

  ICCSZ訊 簡介

  對于一個誤碼儀(BERT)的基本結構來說，可以分為高速信號產生(PPG)和信號接收(ED)兩大部分。目前需要進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的標準中，都需要進行誤碼測試和抖動容限的測試，其中硬件平臺的構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格，因為針對被測電路誤碼率達到10-12至10-15的典型要求下，接收機做為測試設備自身產生的誤碼需要遠遠低于被測電路。 因此穩(wěn)定可靠，并且能夠靈活適應不同研發(fā)生產的需求是非常關鍵的一點。對于所有的高速接收電路而言，時鐘數據恢復都是里面的最關鍵環(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行詳細的討論。

  01

  誤碼儀接收機(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行接收機靈敏度的容限測試，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

  由于所有的高速標準都要求抖動容限測試，BERT的發(fā)送端產生經過校準的高速損傷信號(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擾會導致誤碼，所有的標準都要求噪聲容限測試，一個BERT產生經過校準的高速的損傷信號(添加噪聲)送到DUT的接收端，然后DUT內部環(huán)回到DUT的發(fā)送端送出信號給BERT的接收機。另外一種方式是通過用戶針對實際環(huán)境構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的接收機測試

  當前流行的超過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。當構建硬件測試環(huán)境的時候，DUT的發(fā)送端往往需要經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的接收端的設置，保證無誤碼，才能夠進行后續(xù)測試。

  下面是一個典型的BERT和DUT構建的測試環(huán)境。

  02

  BERT接收端的構架和關鍵指標

  傳統(tǒng)臺式誤碼儀的接收機提供高頻全速率或者半速率的采樣時鐘輸出，以及高速差分數據輸入。ED內部的高速比較器進行數據鎖存，然后通過內部預設的數據碼型(以PRBS隨機碼為例)來進行每一個比特的比對。在小于10Gbps的誤碼測試應用中，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)的接收端在大多數情況下不需要特別的均衡和其他設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模塊。

  接收機信號均衡

  前面提到的很多高速測試環(huán)境都需要接收機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(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，應用的范圍非常有局限。目前主流的設計都采用內置均衡功能來應對不同的測試環(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，這個低頻部分對應傳輸數據過程中的那些長零和長一的碼型。 因為一個偽隨機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，都配備了自動對準和均衡功能，并且均衡結束后還提供實時的快速眼圖來表征經過均衡后的鏈路健康程度。 這樣就屏蔽了上述的復雜度，讓使用人員最大時間精力放在調試DUT的問題上。

  誤碼比較器ED

  由于需要DUT產生全速或者半速率的時鐘，時鐘和數據的延時以及時鐘和數據經過電纜后的衰減失真很難把握，所以BERT的ED內部一般都有一定范圍內的水平時間延時對準和垂直幅度門限對準功能。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，這個時候對于傳統(tǒng)的ED就無法進行誤碼測試。

  03

  時鐘數據恢復CDR

  時鐘恢復的基本原理

  絕大多數的誤碼儀都標配或者選配時鐘恢復功能，它的性能對誤碼測試結果有非常大的影響。下面是一個典型的時鐘恢復的原理圖，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。在實際應用中一個CDR往往是接收一路差分輸入數據，然后恢復出一路時鐘，一路同步的數據，然后傳送給采樣比較器電路，鎖存數據。對于絕大多數的CDR而言，在測試回路中起到的僅僅是恢復高精度的時鐘和數據的作用。但是CDR自身設計一般帶有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。

  時鐘恢復在接收機測試中的作用

  接收機的抖動和噪聲容限測試中，通常需要下圖所示的硬件環(huán)境和設置。CDR時鐘恢復模塊是其中最關鍵的硬件設備，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)，經過通道后的高頻分量衰減;

  3. 經過衰減和損傷注入的高速數據信號送入到DUT接收機;

  4. DUT接收機環(huán)回接收到的數據到DUT 發(fā)送端，發(fā)送端發(fā)送環(huán)回的數據到CDR模塊;

  5. CDR模塊輸出時鐘和數據后提供給ED進行BER誤碼測試。

  當進行JTOL抖動容限測試時，絕大多數的DUT需要CDR時鐘數據恢復模塊，然后進行誤碼率測試，目前典型的ED內置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，不僅設置環(huán)境復雜，而且JTOL的精度受到限制。

  時鐘恢復在發(fā)送端測試中的作用

  對于高速串行總線的發(fā)送端測試，標準往往明確要求了進行抖動測試時環(huán)路帶寬的設置。示波器是進行發(fā)送端測試的標準工具。實時示波器由于能夠單次采集所有數據，通過內置的抖動眼圖分析軟件對原始數據進行后處理，所以可以通過軟件CDR來實現時鐘數據的恢復。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模塊把PLL的環(huán)路帶寬調整到標準要求的4MHz到20MHz左右，進行眼圖和抖動測試。

  外置時鐘數據恢復CDR的誤碼儀

  傳統(tǒng)BERT誤碼儀提供了額外的時鐘恢復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)送出來的數據恢復出高頻時鐘和數據，進而連接ED進行誤碼測試。但是CDR的速率一般局限在某一個范圍，很多情況下恢復出來的時鐘和數據有非常大的相對時間延時，導致ED無法在正確的采樣時鐘下，采樣所需的輸入數據。另外的限制是需要外接額外的硬件補償電纜來進行時鐘和數據skew的匹配，這樣不僅會增加設置連接的復雜度，增加成本，還會引入額外的信號衰減失真和相對相位關系的漂移。

  內置時鐘數據恢復CDR的誤碼儀

  為了彌補外置時鐘數據恢復的性能限制，以及繁瑣的高頻電纜連接DUT和誤碼儀，中星聯華科技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據的相位偏移和漂移，同時無需DUT產生任何高速時鐘。對于接收機測試而言，內置時鐘數據恢復是目前最穩(wěn)定可靠的測試方案。

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