集成式比特誤碼率測(cè)試儀在FPGA中的應(yīng)用

隨著高速數(shù)字系統(tǒng)的發(fā)展，高速串行數(shù)據(jù)被廣泛使用，內(nèi)嵌高速串行接口的FPGA也得到大量應(yīng)用，相應(yīng)的高速串行信號(hào)質(zhì)量的測(cè)試也越來(lái)越頻繁和重要。通常用示波器觀察信號(hào)波形、眼圖、抖動(dòng)來(lái)衡量信號(hào)的質(zhì)量，Xilinx提供的IBERT（Integrated Bit Error Ratio Tester）作為一種高速串行信號(hào)測(cè)試的輔助工具，使得測(cè)試更便捷，其具有不占用額外的I／O管腳和PCB空間、不破環(huán)接口信號(hào)的完整性、無(wú)干擾、使用簡(jiǎn)單和價(jià)格低廉等特點(diǎn)。

　　1 IBERT簡(jiǎn)介

　　IBERT是Xilinx提供用于調(diào)試FPGA芯片內(nèi)高速串行接口比特誤碼率性能的工具，具備實(shí)時(shí)調(diào)整高速串行接口的多種參數(shù)、與系統(tǒng)其他模塊通信及測(cè)量多通道誤比特率等功能，支持所有的高速串行標(biāo)準(zhǔn)，包括：PCI Express、RapidIO、千兆以太網(wǎng)、XAUI等。使用IBERT核測(cè)試，只需通過(guò)JTAG接口下載設(shè)計(jì)并測(cè)試硬件，無(wú)需額外的管教和接口；大幅縮減了高速串行接口測(cè)試場(chǎng)景的建立和調(diào)試時(shí)間，是高速串行接口開(kāi)發(fā)中理想的調(diào)試工具。

　　文中所述使用方法基于Xilinx的工具CoreGenerator12．4和ChipScope Pro Analyzer12．4進(jìn)行描述，下面介紹使用IBERT的步驟，IBERT的操作分為兩個(gè)階段。

　　1．1 配置IBERT核，生成配置文件

　?。?）打開(kāi)Core Generator12．4工具，新建設(shè)計(jì)工程，指定待測(cè)器件類型、封裝、速度等級(jí)，生成工程文件。在IP Catalog窗口＼View by Function＼Debug&Verification＼Chipscope Pro＼下，雙擊IBERT，配置線速率、GTP位置和參考時(shí)鐘、系統(tǒng)時(shí)鐘等IBERT核參數(shù)，生成可JTAG加載的bit配置文件。與生成其他核不同，IBERT核不是插入到用戶的設(shè)計(jì)中去的ngc或edn文件，而是生成自身的bit配置文件。

　?。?）IBERT核和ILA核（Integrated Logic Analyzercore），也需要連接到ICON核（Integrated Controllercore）上，但其自身具備控制、監(jiān)控以及改變高速串行接口參數(shù)的邏輯，并能完成誤比特性能測(cè)試。需注意的是，IBERT核只能作為一個(gè)獨(dú)立的設(shè)計(jì)，不可在用戶設(shè)計(jì)中例化。不同系列芯片的IBERT核在Core Generator中的配置不同。

　　1．2 IBERT核的主要組件

　?。?）BERT（比特誤碼率測(cè)試）邏輯：BERT邏輯中例化了高速串行接口組件，并包括了測(cè)試模式發(fā)生器和檢查器。利用Comma和Comma檢測(cè)器，可提供從簡(jiǎn)單的時(shí)鐘信號(hào)到完全的PRBS模式以及成幀計(jì)數(shù)模式?？僧a(chǎn)生各種PRBS數(shù)據(jù)作為高速串行發(fā)送器的數(shù)據(jù)源，可設(shè)置多種環(huán)回，由接收通道接收，對(duì)高速串行接收器的接收數(shù)據(jù)進(jìn)行相同編碼的檢測(cè)，計(jì)算比特誤碼率。

　　（2）DRP（動(dòng)態(tài)重配置端口）邏輯：每個(gè)高速串行接口均有一個(gè)動(dòng)態(tài)重配置端口，因此每個(gè)收發(fā)器屬性都可在系統(tǒng)中改變。所有的屬性和DRP地址在IBERT核中均可讀可寫(xiě)，且可獨(dú)立訪問(wèn)。

　　（3）控制盒狀態(tài)邏輯：管理IBERT核的操作。

　　1．3 配置到FPGA中完成測(cè)試

　　測(cè)試時(shí)，建立JTAC連接，使用ChipScope Pro Analyze12．4下載bit配置文件。下載成功后，在New Project窗口會(huì)出現(xiàn)IBERT Console點(diǎn)擊即進(jìn)入Console Window，該窗口可以設(shè)置高速串行接口的參數(shù)，進(jìn)行開(kāi)環(huán)或閉環(huán)的誤碼測(cè)試，同時(shí)提供高速串行接口參數(shù)的控制和監(jiān)視接口。Console Window有4個(gè)界面：MGT／BERT Settings、DRP Settings、Port Settings和Sweep Test Setting。下面分別介紹每個(gè)界面的功能。

　?。?）MGT／BERT Settings：MGT Settings部分可以設(shè)置擺幅、預(yù)加重、均衡以及接收采樣點(diǎn)的位置等參數(shù)，同時(shí)可設(shè)置開(kāi)環(huán)或閉環(huán)的測(cè)試方式，測(cè)試進(jìn)行中可以顯示線速率和所測(cè)試的高速串行接口的鎖相環(huán)狀態(tài)。BERT Settings部分可以設(shè)置測(cè)試發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的編碼方式，并顯示測(cè)試的誤碼率結(jié)果。Clock Setting部分顯示收發(fā)線路的時(shí)鐘信息。

　?。?）DRP Settrags：可查看并設(shè)置高速串行接口的屬性。

　?。?）Port Settings：可查看并設(shè)置高速串行接口的接口狀態(tài)。

　?。?）Sweep Test Setting：本界面用于自動(dòng)掃描測(cè)試，是IBERT提供的一項(xiàng)便利高效的測(cè)試方式，可設(shè)定發(fā)送和接收的可控制參數(shù)范圍，自動(dòng)逐個(gè)地進(jìn)行遍歷性的誤碼測(cè)試，參數(shù)包括發(fā)送擺幅、預(yù)加重、接收均衡器、CDR采樣數(shù)據(jù)的位置等。用戶可設(shè)定每組參數(shù)重復(fù)測(cè)試次數(shù)以及測(cè)試時(shí)間，最后點(diǎn)擊Start即可進(jìn)行掃描測(cè)試。測(cè)試數(shù)據(jù)保存在．csv文件中。只能在近端環(huán)回和遠(yuǎn)端環(huán)回測(cè)試模式中使用。

　　2 實(shí)例說(shuō)明

　　設(shè)計(jì)實(shí)例使用Xilinx公司Spatan6系列的xc6slx150t-3fgg676芯片，根據(jù)上述使用說(shuō)明，下面具體說(shuō)明使用IBERT進(jìn)行測(cè)試的過(guò)程。

　　（1）打開(kāi)Xilinx ISE DesignSuite12．4／ISEDesignTools／Tools／Core Generator，新建工程，設(shè)置芯片信息如圖1所示，點(diǎn)擊確認(rèn)，生成核的工程文件。

在IP Catalog窗口＼View by Function＼Debug&Verification＼Chipscope Pro＼下雙擊Ibert，如圖2所示。按順序設(shè)置Ibert核線速率2．457 6 Gbit·s-1，數(shù)據(jù)寬度20 bit，參考時(shí)鐘頻率122．88 MHz，選擇被測(cè)試的GTP DUAL，設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘頻率66 m、位置R7等參數(shù)，IBE RT Core Summary如圖3所示，點(diǎn)擊generate生成Ibert核的可下載bit配置文件。

　?。?）將生成的bit文件加載到單板上，顯示界面如圖4所示。

　　首先關(guān)注PLL Status狀態(tài)和Clocking Setting顯示的收發(fā)時(shí)鐘頻率，PLL Status狀態(tài)Locked表明GTP_DUAL的PLL已鎖定GTP的參考時(shí)鐘，GTP可正常工作。如狀態(tài)是Unlocked，則要檢測(cè)待測(cè)GTP的參考時(shí)鐘是否正常輸入。

　　測(cè)試高速串行信號(hào)的信號(hào)質(zhì)量，通常使用足夠帶寬和采樣率的示波器測(cè)試信號(hào)眼圖來(lái)評(píng)估，一但測(cè)試的眼圖不符合模板要求，需要調(diào)整高速串行接口的參數(shù)。使用IBERT核可以快速完成參數(shù)修改的任務(wù)，設(shè)置Loopback Mode在開(kāi)環(huán)的模式下，TX Data Pattern為PRBS7-bit，調(diào)整擺幅、預(yù)加重參數(shù)，觀察示波器上的信號(hào)眼圖是否符合模板要求。圖5和圖6分別為調(diào)整擺幅預(yù)加重參數(shù)前后的眼圖，圖5所示眼圖對(duì)應(yīng)預(yù)加重0．8 dB、擺幅495 mV，眼圖的眼高太小且圖形碰撞模板，調(diào)整為預(yù)加重1．7 dB、擺幅1 180 mV，眼圖滿足的要求如圖6所示。

　為確定高速串行接口的參數(shù)是否滿足硬件及多種環(huán)境的需求，可通過(guò)在對(duì)端器件高速串行接口設(shè)置遠(yuǎn)端環(huán)回，設(shè)置待測(cè)試芯片的收發(fā)data pattern為統(tǒng)一模式，常溫及高低溫拷機(jī)，觀察誤碼率是否滿足要求，誤碼率需滿足E-10。例中與圖6對(duì)應(yīng)的參數(shù)值條件下，對(duì)端器件高速串行接口設(shè)置遠(yuǎn)端環(huán)回誤碼率為4．36E-10，滿足誤碼率要求。

　　Sweep Test Setting（掃描測(cè)試）其配置頁(yè)面如圖7所示，以Rx Sampling Point來(lái)進(jìn)行誤碼率測(cè)試定性分析信道質(zhì)量為例，較為容易理解，當(dāng)同定在某個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行誤碼測(cè)試時(shí)，誤碼率達(dá)到E-10時(shí)，可判定信道質(zhì)量良好。在整個(gè)UI范圍內(nèi)進(jìn)行采樣點(diǎn)的掃描測(cè)試時(shí)，誤碼率達(dá)到E-10的采樣點(diǎn)越多，信號(hào)眼圖的眼睛張得越大，距離模板的余量越大，信道質(zhì)量越好。

　　3 結(jié)束語(yǔ)

　　通過(guò)以上實(shí)例，可見(jiàn)IBERT具有可操作性較強(qiáng)的GUI圖形界面，可操作性強(qiáng)、準(zhǔn)確、易用，可方便地設(shè)置高速串行收發(fā)通道的各項(xiàng)參數(shù)，并提供了多種環(huán)回模式及多種測(cè)試激勵(lì)源，并可通過(guò)自動(dòng)掃描測(cè)試，確定收發(fā)的最佳參數(shù)?？梢詽M足硬件測(cè)試時(shí)對(duì)高速串行收發(fā)通道信號(hào)測(cè)試的大部分需求，在故障定位等場(chǎng)合均可使用。在單板的硬件測(cè)試初期，使用IBERT可以輔助硬件測(cè)試，例如設(shè)置發(fā)送通道的各項(xiàng)參數(shù)，協(xié)助示波器測(cè)量信號(hào)質(zhì)量，而完全不需額外的開(kāi)發(fā)FPGA邏輯。進(jìn)行誤碼率測(cè)試，作為定量測(cè)量眼圖質(zhì)量、jitter等指標(biāo)的補(bǔ)充。從示波器看圖確定出的參數(shù)并非就是最佳參數(shù)。如示波器對(duì)于均衡后的信號(hào)質(zhì)量無(wú)法測(cè)試，而通過(guò)IBERT測(cè)誤碼率能夠測(cè)試到均衡之后的節(jié)點(diǎn)，測(cè)試范圍更大?？梢灶A(yù)見(jiàn)，集成比特誤碼測(cè)試儀IBERT將在FPGA設(shè)計(jì)中獲得廣泛應(yīng)用。