高速FPGA系统的信号完整性测试和分析

高速 FPGA系统的信号完整性测试和 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 张楷 泰克科技（中国）有限公司 摘要： 随着 FPGA 器件的速度和容量日益提高，各种高速的并行和串行接口都广 泛应用在 FPGA 上，其中典型的高速串行总线速率超过 1Gb/s，这为设计和应用人 员提供了极大的灵活性，同时对于 FPGA IO 的测试和验证也带来了新的挑战。本 文针对 FPGA 中各种高速串行总线的信号，提供全面的信号完整性测试和分析方 法。 关键词：FPGA，高速串行信号, 信号完整性, 抖动，眼图测试，采样示波器 1. 引言 随着FPGA的设计速度和容量的明显增长，当前流行的FPGA芯片都提供高速总线，例如DDR内 存总线，PCI-X总线、SPI总线；针对超高速的数据传输，FPGA通过集成SerDes提供高速串行IO， 支持各种诸如PCI-E、GBE、XAUI等高速串行总线协议，为各种不同 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 的高速传输提供极大 的灵活性。典型的高速FPGA器件提供的每一条物理链路的速度从200Mbps到高达10Gbps，高速 IO的测试和验证更成为传统专注于FPGA内部逻辑设计的设计人员面临的巨大挑战。这些挑战使 设计人员非常容易会把绝大部分设计周期时间放在调试和检验设计上。 为了加速对于FPGA中高速并行和串行总线的调试和验证，它需要使用新的高速信号完整性测试 工具和分析方法。本文根据当前FPGA的高速总线测试和分析，提供了最新的方法和工具。 图1是一个典型FPGA的提供的各种高速接口。对于这些速度从200M到高达10G的高速总线，信 号完整性的测试和分析是保证设计成功的基础和关键。 图1 典型FPGA的提供的各种高速接口 2. 高速串行总线眼图测试 对于采用内嵌 SERDES电路的 FPGA芯片，其高速串行信号进行测试和验证，最基本的工 具是通过示波器进行对其眼图测试。因为眼图能够非常直观的反映一条被测信号路径上的整体 信号质量问题，包括信号的抖动量大小（眼宽）以及幅度的大小（眼高）等重要信息。图 2 是 一个高速数据信号的眼图形成的过程。 图 2 眼图的形成过程 从眼图的形成过程可以看出，一个 NRZ编码的高速数据无论传输何种码流，都可以看作一 个重复信号，经过一定时间和样本数的累计，它反映整个传输链路上的总体信号质量。 3. 选择合适的眼图测试工具 3.1 示波器带宽的要求 示波器是进行高速串行信号眼图测试的首选工具。无论是用高速实时示波器还是采样示波 器（Sampling Scope）得到眼图，带宽是对示波器的基本要求。以一个NRZ编码的高速串行总线 为例，它理想的波形是一个方波信号，方波信号是由它的基波（正弦波）和奇次谐波（3次，5 次，7次…）组成。根据信号的传输速率和上升时间，选择尽量高带宽和最快上升时间的示波器， 这样测试结果保留更多的谐波分量，构建高精度的眼图测试结果。 示波器带宽反映了对被测信号幅度上的衰减，而示波器上升时间决定了对被测信号上升时 间测试的误差。经典的示波器带宽和上升时间的关系为：带宽×上升时间＝0.35－0.45，0.35-0.45 为常系数。每一个高性能示波器除了提供带宽的指标外，还会给出上升时间， 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 征其对阶跃信 号的测试能力和精度。示波器测试结果的经验 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 为： 高速串行数据（NRZ编码）提供一般为数据率，其最高的基频为比特率的一半。即假设给 定一个NRZ编码的串行信号，码型为时钟码型（即传输的数据为1－0－1－0－1），从频域的角 度观测该信号，它成为一个基波为数据率一半的方波信号，这个时钟码型是数据变化最快的情 况。以泰克TDS6154C 大于15GHz带宽的实时示波器为例，它可以测试保留6.25Gb/s (2×XAUI) 信号的五次谐波，以及10Gb/s (XFI)信号的三次谐波。下表列出了不同的高速串行总线在不同测 试精度要求下对示波器带宽的要求。 当示波器系统不能提供足够的系统带宽时，它会衰减对高速信号的高次谐波分量。测试结 果除了引入由于示波器带宽不足导致的码间干扰（ISI），电压幅度的异常（过冲和衰减），还 会导致抖动量过大，最终眼图模板测试的错误或者测试容限的减小，无法真正反映信号完整性 问题。图3 分别是泰克TDS6154C 15GHz带宽和传统DSO 13GHz带宽实时示波器对一个FPGA器 件提供的的6.25Gb/s高速数据进行的眼图测试结果比较。图中上半部分显示的眼图有很好的对称 性，上升和下降时间更快，信号抖动量很小，真实的反映信号的真实特性。 由于13GHZ的DSO示波器系统带宽不足，无法捕获信号的五次谐波分量，图中下半部分的 测试结果反映出眼图上升时间过慢；同时测试的眼图还存在明显的过冲和震铃，测试仪器导致 的抖动也掩盖的信号的真正抖动大小。 图3 高速串行数据测试比较（上图为泰克TDS6154C示波器测试结果） 3.2 示波器高速采集内存的要求 当使用实时示波器对于 FPGA信号进行信号完整性测试时，利用一次采集的数据构建眼图， 所以除了示波器硬件带宽和高速采样率外，采集的数据量的大小非常关键，这样对示波器的高 速采集内存就有了更高的要求。下图是在高采样率下，不同高速内存容量下一次捕获的数据量 的大小。 采样率 10K内存 256K内存 1M内存 64M内存 400M内存 10GS/s 1us 25us 100us 6400us 40ms 20GS/s 0.5us 12.5us 50us 3200us 20ms 40GS/s 0.25us 6.25us 25us 1600us 10ms 当对FPGA的高速信号进行抖动测试时，高速内存长度不仅决定了一次抖动测试中样本数的 多少，还决定了示波器能够测试的抖动频率范围。针对信号中的各种低频抖动干扰源，高速采 集内存长度是示波器进行低频抖动测试的关键。下表显示的为20GSa/s高采样率下，不同内存长 度分析抖动频率范围的大小。 传统高性能示波器设计构架采用将高速采集前端（多达80颗ADC）和高速内存在物理上用 一颗SOC芯片实现，由于有太多功能在一个芯片内部实现，导致片内高速内存容量的限制（在 20GS/s下小于1M），无论是对于高速串行数据的眼图测试还是对于时钟信号的抖动测试，都存 在很大的限制，并且日后无法对内存扩展升级。 为了弥补这种设计结构的缺陷，这类示波器会采用在芯片外部添加低速存储器弥补片内高 速内存的限制，但外部存储器不能在高采样率下工作，一般只能提供2GS/s，样点间隔500ps， 由于绝大多数信号边沿速度都在皮秒级，2GS/s无法在信号边沿采集足够样点，甚至出现会出现 混叠，所以它无法提供有意义的眼图和抖动测试结果。 泰克TDS6154C高速实时示波器采用硅锗（SiGe）半导体集成采集前端，并使用独立的高速 存储器，这样就不受内存长度的限制，并且它同时支持最大采样率和存储长度。 4. 抖动、噪声和 BER测试和分析 针对FPGA中不断增长的串行数据传输速率，设计人员不仅进行眼图测试，还需要一套先进 的测试和分析工具帮助他们更好地理解和改善他们设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 的信号完整性。 针对FPGA提供的各种高速串行信号，传统的采样示波器配合抖动分析软件针对FPGA中的 高速串行信号能够进行抖动的测试，测试结果的分离，后期的抖动原因的定位和分析，以及水 平时间分量上的BER分析。但是，对于导致BER的另一个主要原因，即串行信号中的噪声分量， 没有一个彻底的测试和分析方法。图4显示了对于一个高速串行信号的抖动分量和噪声分量影响 BER的过程。 图4 抖动分量和噪声分量的分解 从事FPGA器件的设计和应用，以及背板的设计和制造的公司在开发基于超高速串行数据标 准的产品时需要最高精度的抖动分析，噪声分析以及完整的BER眼图信息。泰克CSA/TDS8200 系列采样示波器 （Sampling Oscilloscope）测试眼图时，除了传统的眼图和抖动测试外，泰克 80SJNB抖动和噪声分析软件提供了对于设计人员和调试人员更有价值的抖动、噪声、BER分析 功能。 80SJNB不仅能够得到高精度的眼图测试结果，还能够通过分隔抖动和噪声，加快了识别水 平和垂直眼图闭合原因的速度。由于它能够以独特的视角查看抖动和噪声的构成成分，80SJNB 可以高度精确全面地推断BER及分析眼图轮廓。在把抖动、噪声和BER分析与8000系列的模块 化灵活性、完善的性能和信号保真度结合在一起时，您可以获得理想的下一代高速串行数据设 计检验和一致性测试解决方案。下表列出了80SJNB软件配合泰克CSA/TDS8200系列示波器得到 的抖动和噪声分析结果。 Jitter Separation Total Jitter (TJ) Duty-Cycle D (DCD) istortion Data Dependent Jitter (DDJ) Periodic Jitter (PJ) Deterministic Jitter (DJ) Random Jitter (RJ) BER Random Noise (RN) Deterministic Noise (DN) Data Dependent Noise (DDN) Periodic Noise (PN) Total Noise (TN) Noise Separation = Bounded =Unbounded 高级抖动分析 测量项目 说明 TJ@BER 指定BER时的总抖动 RJ 随机抖动 RJ(h) 随机抖动的水平成分 RJ(v) 随机抖动的垂直成分 RJ(σ-σ) 根据双Dirac模型计算得出的随机抖动 DJ 确定性抖动 DDJ 数据相关抖动 DCD 占空比失真 DJ(σ-σ) 根据双Dirac模型计算得出的确定性抖动 PJ 周期抖动 PJ(h) 周期抖动的水平部分 PJ(v) 周期抖动的垂直部分 EOH@BER 指定BER时的水平眼图张开 高级噪声分析 测量项目 说明 RN 随机噪声 RN(v) 随机噪声的垂直成分 RN(h) 随机噪声的水平成分 DN 确定性噪声 DDN1 逻辑电平1上的数据相关噪声 DDN0 逻辑电平0上的数据相关噪声 PN 周期噪声 PN(v) 周期噪声的垂直成分 PN(h) 周期噪声的水平成分 EOV@BER 指定BER时的垂直眼图张开 80SJNB软件除了能够得到每一个抖动和噪声分量的精确结果，针对设计和测试人员还提供了各 种图形显示进行更细致的信号完整性分析。例如，抖动和噪声成分概率分布, 频谱分布, 数据相 关抖动和噪声与位的关系, 数据码型波形, 抖动和噪声浴缸曲线, BER概率图, BER轮廓图, 概率 分布眼图。图5是得到的分析结果。 图5 80SJNB软件得到的分析结果 5. 高速并行总线的眼图测试 对于 FPGA芯片提供的高速并行总线，由于其数据传送方式并没有采用内嵌时钟的方法， 时钟可以作为触发信号，观测多路并行总线的眼图。由于并行总线的通道数比较多，在示波器 中手工测试多通道的眼图比较繁琐，有些传统逻辑分析仪虽然能够直接进行并行总线的眼图测 试，但无论是测试精度和速度都无法和示波器进行的标准眼图测试相提并论。 除了能够通过 FPGAView 对简化 FPGA 的在线调试，TLA 逻辑分析仪能够配合 TDS 示波 器对 FPGA外部信号自动进行多通道的眼图测试和分析，该功能称为 iVerify眼图测试，最多可 以自动的测试 408个通道的眼图。 泰克为逻辑分析仪和示波器集成提供了一个信号完整性测试工具包，称为 iLink 工具包， 分为 iConnect，iView，以及 iVerify眼图测试三个工具。iVerify是建立在 iConnect技术和 iView 技术的基础上，它能够自动对多路并行总线进行眼图测试来彻底验证被测信号。结合 iConnect 技术，使用一套逻辑分析仪有源探头进行信号逻辑和模拟的同时观测，逻辑分析仪可以将被测 通道分成多组，每一组 3个数据通道送入到示波器中进行眼图测试，示波器的第 4个通道作为 外部时钟；采用 iView 技术，逻辑分析仪可以自动的将每一次送入示波器的 3 个数据信号的眼 图测试数据会传到逻辑分析仪中，这样逻辑分析仪就可以再选择另外一组 3 个通道进行测试， 对于复杂的高速总线，可以一次测试 408个数据通道。最后，iVerify技术通过逻辑分析仪将最 多 408 个数据信号的眼图测试数据叠加显示出来，彻底验证总线中出现的信号完整性问题。图 6是在 TLA逻辑分析仪上自动累计的多个通道眼图数据的色温显示。 图14 TLA逻辑分析仪上显示多通道眼图测试结果 6. 小结 对于FPGA中的高速串行和并行IO信号，需要根据被测信号特点和速度来选择合适的测试和 分析工具。当测试信号完整性，希望得到最精确的上升时间，下降时间，信号过冲和震铃等参 数，带宽是首要选择。某种意义上带宽越高，测试精度越高。对于实时示波器而言，高速采集 内存是眼图和抖动等信号完整性测试的关键。对于采样示波器，通过CSA/TDS8200配合80SJNB 抖动和噪声分析软件，不仅可以精确的测量高速串行信号的抖动和噪声，并且能够根据测量结 果进行精确的抖动、噪声中每一个分量的分离，和系统的BER相关，最终为信号完整性验证人 员提供有价值的信息。当测试高速时钟或数据抖动时，泰克两种示波器都配备业内推荐的抖动 测试和分析软件，帮助设计人员得到抖动结果，分析抖动产生的原因，最终得到高可靠性的系 统。