高速串行總線的常用測試碼型本文討論了高速串行鏈路中常用的測試碼型偽隨機碼流的原理，以及不同的測試碼型對物理層測試結(jié)果的影響。高速串行總線的常用測試碼型在當(dāng)今的電信和計算機產(chǎn)品上，相比傳統(tǒng)的并行總線，電路中的串行總線越來越多，速率越來越快。比如通信產(chǎn)品中的10GBase-KR、CPRI2代，計算機中的PCIeGen2、SATA6G存儲產(chǎn)品中的SAS6G、FC8.5G，這些串行總線都陸續(xù)的跨過了5Gbps。由于速率比較高，使得串行總線上的相關(guān)的收發(fā)器芯片(SERDES)、連接器、單板、背板的設(shè)計面臨著越來越多的挑戰(zhàn)。對于這些高速串行總線的物理層測試，測試碼型的選用至關(guān)重要，在很多串行總線的規(guī)范中對測試碼型有嚴格的要求。本文將對此進行探討。首先，串行總線的物理層測試通常分為發(fā)射機測試和接收機測試，又稱為TX測試和RX測試。發(fā)射機測試通常包括眼圖、抖動、信號波形、幅度、上升下降時間等測試項目，接收機測試通常包括誤碼率、抖動容限、接收機靈敏度等測試項目。對于眼圖測試、誤碼率和抖動容限測試，最常用的測試碼是偽隨機碼(PseudoRandomBinarySequence，簡稱PRBS)，主要有PRBS7、PRBS15、PRBS23和PRBS31。除了PRBS以外，K28.5、1010、CJPAT等碼型在很多串行總線的物理層測試中都很常用，特別是計算機上的串行標準(比如SATA、USB3.0、SAS)的測試碼型有所不同，在本文中主要討論最常用的測試碼型一一PRBS。PRBS的實現(xiàn)方法顧名思義，PRBS是偽隨機碼流，在其碼流中包括了所有可能出現(xiàn)的比特組合，而且其出現(xiàn)的概率是相同的。PRBS信號是由PRBS碼型發(fā)生器生成的。PRBS發(fā)生器通常是由線性反饋移位寄存器(LinearFeedbackShiftRegister，簡稱LFSR)和異或電路組成。如下圖1所示為最簡單的PRBS3的碼型發(fā)生器，其多項式為X3+X2+1，即寄存器的第3位與第2位做異或(XOR)的邏輯運算后返回到寄存器的第1位，寄存器的第3位X3同時也是PRBS3發(fā)生器的輸出。圖1：PRBS3碼型發(fā)生器原理在表格1中顯示了PRBS3的n個周期的時鐘后輸出n個比特的碼流°X1/X2/X3分別是3個比特移位寄存器的低位到高位，輸出位是X3，初始狀態(tài)為X1/X2/X3=1/1/1，如表格第1行所示。第1個時鐘沿到達后，X3與X2異或后等于0,輸入到X1,同時X1和X2前移到X2和X3，所以X1/X2/X3=0/1/1,如表格第2行所示；第2個時鐘沿到達后，X3與X2異或后等于0，輸入到X1，同時X1和X2前移到X2和X3，所以X1/X2/X3=0/0/1，如表格第3行所示；第3個時鐘沿到達后，X3與X2異或后等于1，輸入到X1，同時X1和X2前移到X2和X3，所以X1/X2/X3=1/0/0，如表格第4行所示；以此類推，第5行為0/1/0，第6行為1/0/1，第7行為1/1/0，第8行為1/1/1，與初始狀態(tài)相同，接下來的第9行和第10行與第2行和第3行完全相同，也就是說PRBS3的碼型輸出7個比特后開始重復(fù)。X3是PRBS3的輸出位，所以PRBS3輸出的碼型為1110010,碼長為7，如圖2所示，每7個比特后開始重復(fù)輸出同一碼型。在PRBS3中包括了11100屬于碼流中頻率最低的碼型，010是頻率最高的碼型。El12ISJ11120110014100J01Ij&101711Ij￡111011SOn01SS100010表格1：PRBS3的3位寄存器數(shù)值PR胳3輸出信號1111111Xu: 一-網(wǎng)鋁｛情口峭號:i54)67 ?40tl12圖2：PRBS3輸出信號為何PRBSN的碼長為2人N-1在PRBS3的3位寄存器可以產(chǎn)生2的3次方合計8個排列組合。采用XOR異或電路的PRBS發(fā)生器在3個比特都是0的時候，下一個時鐘到來的時候，第3個比特和第2個比特異或后還是0，輸入到寄存器的第一位還是0，同時第1個和第2個比特前移到第2個和第3個比特，這樣，移位后寄存器的3個比特都是0，則PRBS發(fā)生器的輸出一直都是0，被鎖住。所以PRBS3碼流中不能出現(xiàn)3個全0的比特，這樣，PRBS3的組合方式為2人3-1=7共7種，碼長位7個比特。同理，PRBS7的碼長為2人7-1=127個比特，PRBS15的碼長為2A15-1=32767個比特。PRBS7和PRBS31PRBS7是目前10Gbps以下的串行總線中最常用的測試碼型。常用的PRBS7的多項式為X7+X6+1，碼長為127個比特，在ITU-TV.29規(guī)范中規(guī)定。PRBS7屬于短偽隨機碼型，與8b10bNRZ編碼的數(shù)據(jù)流很相似，所以，在PCIe、SATAXAUI、1000BASE-LX、FC、SAS等采用8b10b編碼的串行總線中，PRBS7是最常用的測試碼型，支持這些總線的芯片通常都可以輸出PRBS7測試碼型，用于眼圖、抖動或誤碼率測量。圖3：PRBS7碼型發(fā)生器原理PRBS7的碼流中最長的連1為7個，最長的連0為6個;而8b10b編碼中最長的連1為5,最長的連0也是5;因此，相比8b10b編碼，PRBS7可以產(chǎn)生的較低頻率的碼型。使用PRBS7作為驅(qū)動源，在同一信道（比如背板上20英寸長走線）上傳輸?shù)浇邮斩撕蟮玫窖蹐D和抖動，都比8b10b編碼的作為驅(qū)動源時的結(jié)果稍差些。這樣，PRBS7作為8b10b編碼的串行總線的測試碼型，留出了一定的設(shè)計余量。FaneniOJllflgVitaleIMytiominEToneSpacing(lOGhpK)CCITT/ITT：Mimdard13'-I■a珀】XM+xsn41?0g-j.+i=o衛(wèi)2'5-1sE15X'5+X^-i■口aosiiHzOTTTO.1S1-ITL'-T0.151￡仲一1V■-X--i=|JCCITT0.13!!；］TU-TOJ922"-1X'*XE42=1078.7MH1IW-TW2Q圖4：幾種常用PRBS的說明PRBS31的多項式為X31+X28+1，碼長為2人31-1=2147,483,647個比特，屬于長偽隨機碼型。碼流中最長的連1為31個，最長的連0為30個，包含了相當(dāng)多的低頻成分而這正是SONET/SDH系統(tǒng)測試規(guī)范中所要求的，所以可用于像SONET/SDH信號那樣包含了很多低頻成分的物理層測量。除了PRBS外，K28.5也是常用的測試碼型之一。K28.5是8b10b編碼表中的一個命令字，也是采用8b10b編碼的串行鏈路中最常用的測試碼型，由K28.5-=0011111010和K28.5+=1100000101組成，它有五個連續(xù)的1和五個連續(xù)的0，是8b10b編碼中最長的連1和連0，也就是說K28.5包括了8b10b編碼中最低頻的碼型，同時，K28.5中有101和010這樣的高頻碼型，因此，K28.5非常適合測量和SI仿真時作為驅(qū)動端的激勵，來計算信道的碼間干擾（又稱ISI）。我們知道，在8Gbps以下的串行總線上，8b10b編碼是最常用的編碼技術(shù)，這樣也導(dǎo)致了K28.5是最流行的測試碼型之一。在FC和XAUI標準中，也規(guī)定了K28.5為固有抖動的測試碼型。各種測試碼型在同一信道上傳輸?shù)浇邮斩说臏y試結(jié)果分析圖5所示為高速背板、電纜的物理層測試的示意圖，在發(fā)送端使用碼型發(fā)射器作為驅(qū)動信號源，接收端使用誤碼檢測器測量誤碼，或者使用示波器測量眼圖。這樣，就組成了完整的高速背板、電纜的物理層測試系統(tǒng)。圖5：高速印刷電路板的評估與測試系統(tǒng)在本次測試中，我們使用了美國 Centellax公司的可編程碼型發(fā)生器PPG12500，PPG12500的輸出信號速率可在1G到12.5Gbps任意調(diào)節(jié)。把輸出信號的比特率設(shè)置為10.3125Gbps，幅度1V，去加重為1dB，輸出碼型分別為PRBS7/15/23/31。信道為某24英寸長PCB走線，在接收端使用Centellax的誤碼儀PCB12500測量誤碼率。表格2為測試結(jié)果，可見，驅(qū)動碼型為短碼型PRBS7時，誤碼率為0，而驅(qū)動碼型為長碼型PRBS31時，接收端的誤碼率最高。隨著串行速率不斷升高，8b10b編碼在某些高速率鏈路上已不被采用，因此，在這些鏈路中很少使用PRBS7作為測試碼型，幾乎都使用了PRBS31作為測試碼型，以產(chǎn)生最大的抖動和最惡化的激勵信號。表格2：誤碼率測試結(jié)果PRBS7PRES15PEBS23PRE￡31EER0L1.16E-071.51E-062.43E-06Centellax的PPG12500產(chǎn)品介紹，特點，應(yīng)用范圍。Centellax公司的PPG12500是速率在1-12.5Gbps可調(diào)的可編程碼型發(fā)射器，相比其他碼型發(fā)射器，有以下特點：可編程碼型長度高達24M個比特內(nèi)置了2個tap的去加重，可以用于評估某特定長度背板走線的TX端所需的去加重程度，而很多碼型發(fā)射器都沒有內(nèi)置去加重功能，必須使用昂貴的外置去加重儀器附件。如下圖6所示為示波器測量PPG12500輸出的某6dB去加重的波形。抖動透明傳遞功能，即碼型發(fā)射器的參考輸入時鐘中注入抖動后，PPG12500的輸出數(shù)據(jù)中也帶有同類型抖動。如下圖7為PPG12500搭配Centellax的時鐘源TG1C1A，可以

輸出比特率為1-12.5Gbps、帶有正弦抖動的串行數(shù)據(jù)。4.可前面板控制，或者使用USB和GPIB遙控，提供了Labview驅(qū)動或者GUI來控制。圖6：PPG12500輸出的帶6dB去加重的碼型圖7：Centell