信号完整性系列之十七—— 基于误码率的眼图测试,ISOBER.doc

常规的眼图测量眼图测试是高速串行信号物理层测试的一个重要项目。眼图是由多个比特的波形叠加后的图形，从眼图中可以看到：数字信号1电平、0电平，信号是否存在过冲、振铃？抖动是否很 大？眼图的信噪比？上升下降时间是否对称（占空比）？眼图反映了大数据量时的信号质量，可以最直观的描述高速数字信号的质量与性能。如图1所示为某1.25G信号的眼图。可以看到该信号的抖动较大。另外，在很多高速数字信号的标准中，定义了不同测量点的眼图模板。图1的深蓝色部分是眼图模板，测量到的眼图不能触碰到该模板。在实时示波器中，通常使用连续比特位的眼图生成方法。力科于2002年在业界最早采用连续比特位的眼图测试方法。首先，示波器采集到一长串连续的数据波形；然后，使用软件CDR恢复时钟，用恢复的时钟切割每个比特的波形，从第1个、第2个、第3个、一直到第n-1个、第n个比特；最后一步是把所有比特重叠，得到眼图。什么是BER?在数字电路系统中，发送端发送出多个比特的数据，由于多种因素的影响，接收端可能会接收到一些错误的比特（即误码）。错误的比特数与总的比特数之比称为误码率，即Bit Error Ratio，简称BER。误码率是描述数字电路系统性能的最重要的参数。在GHz比特率的通信电路系统中（比如Fibre Channel、PCIe、SONET、SATA），通常要求BER小于或等于 。BER= 指的是发送/接收了10 个比特，只允许1个比特出错。误码率较大时，通信系统的效率低、性能不稳定。影响误码率的因素包括抖动、噪声、信道的损耗、信号的比特率等等。基于误码率的眼图轮廓测试（BER Eye Contour）力科称为ISOBER在上文中提到眼图是多个比特位的信号叠加得到的测量结果，所以测试中需要注意眼图是由多少个比特组成的？使用常规的实时示波器来测量高速串行信号的眼图，在几秒钟内可以生成1万个比特叠加的眼图。力科示波器使用了创新的XStream II专利技术，可以快速的生成眼图，以SDA816Zi测量3.125Gbps的XAUI信号为例，大概几秒就可以得到上百万个比特的眼图。即使如此速度，也很难直接测量到10 个比特的数据叠加得到的眼图，与误码率联系在一起，即BER=10 时的眼图轮廓。假设每5秒测量到1M个比特的眼图，测量10 的眼图需要5*10 秒 = 1388.8小时，可见对于示波器来说，测量BER=10 的眼图是很有挑战性的。如图2所示为叠加了282万个比特的眼图。基于误码率的眼图轮廓测试又称为BER Eye Contour测试，在抖动测量的权威文档MJSQ（Methodologies for Jitter and Signal Quality Specification的缩写）中提出用BERT scan方法来测量BER Eye Contour（见MJSQ Rev14.1的10.4.3节）。误码率测试仪BERT通过不断调节延时时间得到在水平方向的特定决策点的误码率，同时可以测量到不同误码率的总体抖动，同理，在垂直方向调节门栏电压，可以得到特定电压的误码率。同时扫描水平方向的延时和垂直方向的门栏电压并测量误码率，即可得到眼图内任一个判决点的误码率，将相同误码率的点连线，即可得到某个误码率的眼图轮廓（通过BERT得到BER Eye Contour的详细介绍可以参考BERT厂商的相关技术资料）。力科在2008年10月推出了新一代的串行数据分析选件SDAII，SDAII可以测量某误码率的眼图轮廓，是目前实时示波器中唯一可以测量误码率眼图的解决方案。ISOBER的原理在力科示波器中，测量到一定数量比特叠加的眼图后，以眼的中心为原点，以若干条对角线对眼图进行切割，如图3所示的红色直线是对眼图进行切割，计算出眼图在每条切割线上的直方图，如图3中红色抛物线所示。使用MJSQ文档的Dual-Dirac模型对直方图的尾部进行拟合与外插值，推算出更多统计样本时的直方图分布，即低误码率时的直方图的极值。把每条切割线上的直方图在同一误码率的极值的座标用直线连接，得到图3下部分所示为各个误码率的眼图轮廓。为了保证直方图外插值的精度，通常需要累积上百万个比特的眼图后再进行ISOBER scan。（关于Dual-Dirac模型的详细介绍，参考MJSQ文档）ISOBER的应用ISOBER可以快速测量出低误码率时的眼图轮廓，对于高速串行信号的分析与验证非常实用。如下图4所示是用力科示波器测量两个3.125Gbps信号的ISOBER图。可见，在同样测量了140万个比特的眼图后，两者的眼图非常接近，眼高与眼宽也比较接近。但是，使用ISOBER扫描后，BER=10 的眼图轮廓相差较大。在BER=10 时，左半部分的眼图轮廓远小于右半部分的眼图轮廓，说明右半部分的高速串行信号的整体性能优于左半部分的。如果我们同时对两路串行信号进行抖动分析，抖动分解结果如表1所示。可以发现前者的随机抖动Rj较大（高达10.11ps），后者的周期性抖动较大（36.37ps）。由于BER=10 的总体抖动Tj(1e-12) Dj + 14.07 * Rj ，随机抖动Rj对于总体抖动Tj的影响很大。尽管后者的Pj大于前者，但是前者的Rj大于后者，最终前者的Tj(1e-12)大于后者，所以不难理解为何前者的BER=10 的眼图轮廓小于后者了。在串行数据链路中，随机抖动通常来自于高速收发器的时钟，参考时钟经过锁相环倍频后为高速收发器提供时钟，如果PLL的输入时钟的随机抖动较大时，经过PLL倍频后成比例增大（抖动放大倍数是PLL的倍数的平方）。对于左半部分的串行数据链路，需要测量和分析参考时钟和PLL。而周期性抖动通常来自于开关电源噪声和串扰，对于右半部分的串行数据链路，需要测量和分析高速收发器的电源噪声、PLL的电源噪声与抖动。结语：在力科开发ISOBER之前，业界只