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的收發(fā)器芯片(SERDES)、連接器、單板、背板的設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——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。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。

表格1：PRBS3的3位寄存器數(shù)值

圖2：PRBS3輸出信號

為何PRBSN的碼長為2^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2^3-1=7共7種，碼長位7個比特。同理，PRBS7的碼長為2^7-1=127個比特，PRBS15的碼長為2^15-1=32767個比特。

PRBS7和PRBS31

PRBS7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、SATA、XAUI、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，留出了一定的設計余量。

圖4：幾種常用PRBS的說明

PRBS31的多項式為X31+X28+1，碼長為2^31-1=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

Centellax的PPG12500產(chǎn)品介紹，特點，應用范圍。

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：

1.可編程碼型長度高達24M個比特

2.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。

3.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：Centellax的碼型發(fā)射器PPG12500與時鐘源TG1C1A

結(jié)語

在高速數(shù)字電路的互聯(lián)設計中，偽隨機碼型PRBS是最常用的測試碼型，Centellax的解決方案(碼型發(fā)射器PPG12500加時鐘源TG1C1A)提供了1-12.5G的比特率任意可調(diào)、集成去加重、可注入正弦抖動等強大功能，可以作為驗證高速背板與高速電纜的驅(qū)動信號源、或者接收機抖動容限的加壓信號源、以及發(fā)送端去加重程度的仿真器，是目前業(yè)界最高性價比的碼型發(fā)生器。

作者：張昌駿 來源：美國Centellax公司