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全球第四代示波器述评之十二            —— 30GHz示波器助推高速串行信号测试迈入新时代

                                                                                 李海龙  美国力科公司北京代表处

 

摘要：计算机和通信技术的飞速进步推动高速串行数据测试需求不断提高，一方面串行数据率日益提高已经到达微波级别，5Gbps以上新串行协议层出不穷，这不仅需要示波器具备更高放大器带宽和采样性能，而且能够去除由于测试设备的引入而对被测电路带来的负面效应；另一方面串行协议内容越来越复杂，需要更高级的分析软件和仿真模型来深入洞察问题的本质，这两方面催生工程师对测试设备的需求不断提高。力科最新推出的WaveMaster 8Zi系列示波器最高达30GHz采集带宽，80GS/s实时采样率和512Mpts可分析波形内存的领先性能，以及配置专门的信号完整性工具和串行数据分析软件，为分析新一代高速串行数据提供了全新的应用体验。

  关键词： 串行信号，WaveMaster 8 Zi，Eye Doctor II，SDAII，IsoBER，QualiPHY

           

1、变化的世界

    消费者对通讯和计算机产品的要求越来越高，不断提升的速度不断增长的容量但却不能成正比变化的价格，成为用户决定是否掏钱购买新款产品的基本要求。这些来自终端客户的需求通过产业链逐级传递到产品研发工程师对测试仪器的需求层面。能设计出超高传输数据率的通信产品，就一定需要性能匹配的信号测试工具，否则无法保证最终产品的性能、质量和一致性。五年前，数据吞吐率在3.125Gbps的通信系统背板只是停留在少数顶尖通讯设备商预研阶段的概念，2.5Gbps的PCI-Express  G1协议也只是售价昂贵的高端通信产品才具备的内部互连总线。而如今，传输能力达6.25Gbps高速背板已经非常普遍应用在通讯设备上，单对线吞吐率高达12Gbps的串行背板总线也已经在技艺精湛的工程师手上即将变为现实。更高传输速度达5.0Gbps的PCI-Express G2也早已是普通PC机声卡、显卡的标准配置。而实际上，高达8Gbps的PCI-Express G3总线标准也将在2009年正式面世，还有4.8Gbps的USB3.0接口、6.4Gbps的FB-DIMM存储器架构，乃至10Gb/s的Serial Rapid I/O串行协议 …等等。很显然，在工程师的眼里，今天的世界正在日新月异的变化，串行互连架构正大踏步迈入微波级别，≥5Gbps的高速串行协议即将成为主流配置，在这么高数据率级别测试信号，需要全新的思维，因为测试仪器本身已经构成了工程师诊断问题的障碍，示波器主机、探头、测试夹具、电缆对被测信号哪怕是一点点的破坏也可能让你得出与事实完全相反的结论。

变化的数字世界不仅对工程师的设计理念带来巨大挑战，同是也给测试仪器厂商带来巨大的挑战。为工程师提供匹配眼下乃至未来一段时间内高速串行信号测试需求的数字示波器，降低工程师测试信号的难度和复杂度，让他们把主要精力集中在产品设计上，而不是产品测试上，是具有领导地位的测试仪器产商不可推却的责任。

 2、创新的示波器性能

力科最新推出的 WaveMaster 8Zi系列示波器及串行数据分析仪产品，追踪了数字世界的最新发展趋势，为工程师测试新一代高速串行信号提供了全面的解决方案。这款示波器的基本性能包括：最高达30GHz前端采集带宽、最高达80GS/s的实时采样率、最深达512Mpts的可分析波形内存，> 15GHz的边沿触发带宽、最长达80bit的串行触发能力，以及标配比传统方法更精确的眼图和抖动测量软件包—SDA II，串行协议一致性分析集成化工具—QualiPHY，为分析高速串行链路信号完整性而量身定制的Eye Doctor  II软件包，这些示波器行业的多项创新设计为工程师分析从100Mbps的百兆  太网电口到12Gbps的高速通信背板信号质量都提供坚实的技术基础。 

WaveMaster 8Zi的信号采集芯片组电路完全由力科公司自行设计，采用最先进的SiGe 7HP芯片工艺制造，具有世界上最高带宽的单芯片16GHz前端放大器，和最快的单芯片40GS/s采样率。创新的 DBI技术更是突破当前器件工艺的限制，一举将示波器物理带宽提高到史无前例的30GHz，而非采用“拉伸”带宽的”DSP Boost”方法，因而避免了高频谐波失真和底噪较大的问题。

 WaveMaster 8Zi示波器同时在多方面进行了创新设计，这包括：杰出的仪器反应能力和速度，比传统示波器提高了10-100倍的分析处理速度；大型15.3英寸高清触摸屏显示器，比传统12.1”显示器大25%；在一组通道上同时提供50 ? 和 1 M?两种输耦合，使得工程师可以在一台示波器上完成高速时钟信号（需要 50 ?高频探头）和低速高压或电流信号(需要耐高压的高阻抗探头)的采集任务；可动态拆卸和灵活升级的操作前面板；集成第二台同步显示器，用户可以在两台显示器上观测同一信号的不同属性（如同时观测信号时域和频域特性）；力科专利技术LSIB接口—将示波器采集到波形数据高速传输到远程PC机做更深入的分析处理或是存储到更大容量磁盘阵列中，因为架构在 PCI Express  x 4总线上，因而 LSIB接口能比传统的USB接口、以太网或GPIB接口传输速度快20到100倍；配备比传统示波器普遍采用的快刷新模式更有效的TriggerScan工具能在更短的时间内捕获出现概率非常低的 偶发异常事件如毛刺脉冲等；创新的CaseCade触发系统具有四级硬件触发组合，按排列组合算法将有超过2500种以上的触发方式！

因美国次贷危机而演变的全球经济衰退已经深入波及到高科技领域，在决定是否投资购买测试仪器时，各家公司都变得更加谨慎，也更加务实。力科WaveMaster 8Zi提供了4-30GHz的全带宽升级方案，这意味着工程师可以有效利用自己的投资，并紧跟新兴高速技术和串行数据标准，他们只需为当前设计购买所需的带宽，在需要变化时再升级到更高的带宽，从而最大限度地降低资本投资，尤其是力科可以提供独特的方案-将一台示波器的带宽以较低成本从4GHz升级到最高30 GHz。

 

    3、创新的高速串行数据分析方案

    SDA 8 Zi 串行数据分析仪基于WaveMaster 8 Zi系列示波器，标配存储器提高了一倍，可以捕获眼图中更多的单位间隔。同时拥有增强的高速串行码型触发功能，支持高达80位码型，工作速度高达3.125 Gb/s。

   SDA8Zi标配的串行数据分析平台 -- SDA II功能非常全面，包括基于NQ-Scale技术的抖动分解方法及更精确的抖动分类工具，提高了工程师测量高速信号微小抖动的信心，也提供了更全面的洞察力，深存储时的眼图生成速度要比传统示波器快20-100倍，可以在三秒内捕获、分析和显示近100万个PCI Express单位间隔。其它工具如IsoBER (由已捕获的眼图去推测更长时间的眼图闭合情况)和模板违规定位器，可以简便地了解复杂的问题。电缆补偿功能可以去掉电缆失真影响，在高速眼图上更准确地测量定时和幅度。新推出的SDA 8 Zi分析仪同时标配眼图、时间间隔误差、浴盆曲线、抖动直方图及其它抖动分类分析等多个完整的视图。使用QuickView(快速查看)功能，工程师可以快速“一键”了解到串行信号的全貌，包括眼图和抖动的多角度视图，如图1所示。

 

            

                   图1、SDAII快速操作界面

 通过有效地、更精确地分析Rj+Dj分类，力科先进的SDA II工具降低了调试时间，提高了对抖动的了解，简化了一致性测试过程。在一致性测试阶段，可以对各种既定标准使用自动化QualiPHY软件，如PCIe、SAS、SATA、HDMI、DisplayPort和XAUI。图2所示为QualiPHY分析SATA一致性的操作界面，整个操作过程便捷，全面覆盖标准规定的测试项目，并能自动输出美观实用的测试报告。

          

图2 QualiPHY串行协议一致性测试界面

 

     4、创新的信号完整性分析方案

    为在最困难的测量环境中测试最快速的新兴技术，需要使用带宽高达30 GHz的示波器。在50 ps上升时间或2.5 Gb/s以下数据速率表现得不太明显的测试挑战，在上升时间接近或变成小于25 ps或信息速率超过5 Gb/s时成为不可规避的问题。在这些速度下，工程师面临着以前只限于微波频域的信号完整性问题，如不理想的测试夹具和连接电缆的负载效应会从被测电路中汲取能量，从而降低幅度和相位测量的保真度。实现下一代高速串行数据标准的工程师面临着更快速、更复杂的信号挑战，与此同时，串行数据通道(互连、传输线、背板)速度并没有同步提高，导致串行数据通道中的信号劣化问题。另外，新兴串行数据标准如USB 3.0，要求模拟(仿真)信号传输路径，在所有用户环境中都保证可靠的性能。最后，串行数据接收机硬件是为平衡信号劣化专门设计的，但工程师没有任何途径直接探测到SerDes接收端芯片内部应用了均衡优化后的被测信号的性能，道理很简单，因为没有任何办法可以将探头深到芯片内部。

     解决方案是力科Eye Doctor II信号完整性系列工具，它提供了电缆和测试夹具反嵌功能、预加重和去加重建模功能、串行数据通道仿真功能和串行数据接收机均衡功能。Eye DoctorII能够对下图3所示典型的串行链路进行建模并仿真各个部分对信号的影响：

                  

        图3、Eye Dr II对应的串行链路模型

 

WaveMaster 8Zi支持对串行通道或测试夹具使用工业标准的S参数描述，支持最多到16端口的信道模型，并将每个S系数以Plot的形式绘制在屏幕上，方便客户多角度观测信道质量。获得 S参数文件的方法包括采用矢量网络分析仪或力科WaveExpert取样示波器的TDR模块，或采用专门的 EDA仿真软件。对均衡器的描述有两种方法：第一，有经验的工程师可以输入均衡器内部每个抽头的准确参数；第二，只需输入基本的信号参数如数据率、门限判别电平等，Eye Doctor II会训练出一套最优化的抽头系数。下图4是对芯片Pin测得已接近闭合的眼图在均衡仿真后的眼图，可以看出，对均衡后的信号做眼图和抖动分析更有意义。 

          

       图4、Eye Doctor II对串行信号均衡仿真效果  

      5、结语

    快速变化的数字世界为工程师测试新一代高速串行数据带来了巨大的挑战，力科最新 WaveMaster 8Zi系列示波器及串行数据分析仪迎合了工程师的迫切需求，提供了创新的硬件平台和软件工具，业界最高30GHz的前端带宽保证了工程师在分析超过5Gbps数据率的高速背板时游刃有余，创新的串行链路分析平台SDAII和信号完整性平台Eye Doctor II为下一代高速串行数据测试指明了前进的方向。