巧用Bertscope進(jìn)行芯片/系統(tǒng)的接收端容限測(cè)試和調(diào)試分析

在用戶進(jìn)行系統(tǒng)或者芯片測(cè)試的時(shí)候，一般主要驗(yàn)證幾個(gè)方面的性能和可靠性，包括系統(tǒng)發(fā)送端的信號(hào)質(zhì)量，鏈路的損耗/串?dāng)_，接收端的容限。如下圖1，一個(gè)鏈路系統(tǒng)的基本架構(gòu)。通常在發(fā)送端會(huì)使用FFE來(lái)補(bǔ)償鏈路的損耗，接收端會(huì)采用DFE/FFE等方法來(lái)進(jìn)行均衡，一些比較高速率的標(biāo)準(zhǔn)如PCIE 4.0/5.0,SAS4等還會(huì)采用FEC來(lái)進(jìn)行糾錯(cuò)，當(dāng)然接收端還需要CDR來(lái)從串行信號(hào)里面進(jìn)行時(shí)鐘恢復(fù)得到同步時(shí)鐘來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣。

圖1：高速串行鏈路的基本架構(gòu)

對(duì)于系統(tǒng)/芯片的接收端測(cè)試，會(huì)有幾個(gè)方面的挑戰(zhàn)，第一是loopback (環(huán)回)模式的Training,第二是link(鏈路)training。只有這兩個(gè)部分的協(xié)商正確完成的前提下，才能保證測(cè)試的順利完成。不管是loopback training 還是link training，都要求Bert具備和被測(cè)設(shè)備自動(dòng)的協(xié)商功能，通過(guò)基于協(xié)議的握手和雙向溝通去使被測(cè)設(shè)備進(jìn)入環(huán)回模式和均衡的自適應(yīng)。

如圖二，支持各種協(xié)議的系統(tǒng)/芯片在上電后會(huì)通過(guò)與對(duì)端設(shè)備的多次協(xié)商進(jìn)入不同的子狀態(tài)機(jī)，在接收端容限測(cè)試的時(shí)候需要使被測(cè)芯片的狀態(tài)機(jī)從Config或者Recovery狀態(tài)進(jìn)入loopback的子狀態(tài)，這個(gè)實(shí)現(xiàn)需要Bert模擬一個(gè)真正的對(duì)端設(shè)備去發(fā)送符合該協(xié)議的碼型系列去training 被測(cè)設(shè)備。同時(shí)Bert也要能實(shí)時(shí)的解析被測(cè)設(shè)備的協(xié)議系列以確認(rèn)其是否被成功training，否則需要重新修改設(shè)置來(lái)發(fā)送training的碼型序列。如圖3，泰克的BSX系列誤碼儀最高可以支持單通道32Gbps的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，可以直接產(chǎn)生和接收并同時(shí)解析協(xié)議的數(shù)據(jù)包，而不像其他廠商只能在較低速的時(shí)候?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)直接產(chǎn)生和接收，而高速標(biāo)準(zhǔn)則需要通過(guò)兩個(gè)通道合并成單通道進(jìn)行發(fā)送，并在接收端則將單通道再分解成兩個(gè)通道進(jìn)行接收。這樣會(huì)導(dǎo)致高速標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)候不能實(shí)現(xiàn)真正基于協(xié)議的協(xié)商。

圖2：PCIe/USB3.1等協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的各種狀態(tài)機(jī)。

圖3:BSX系列誤碼儀支持單通道的高速協(xié)議數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收解析

如圖3，除了loopback training以外，另一個(gè)重要的步驟是link training(鏈路協(xié)商)，需要Bert和DUT進(jìn)行FFE/DFE的實(shí)時(shí)協(xié)商來(lái)補(bǔ)償鏈路的損耗，以達(dá)到最低的誤碼率。在USB3.1/PCIe協(xié)議中發(fā)送端會(huì)有多個(gè)級(jí)別的FFE來(lái)靈活對(duì)信號(hào)發(fā)送端進(jìn)行均衡補(bǔ)償，在接收端也會(huì)有CTLE和DFE多級(jí)組合來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。(詳細(xì)的鏈路協(xié)商步驟細(xì)節(jié)可以參考泰克的相關(guān)應(yīng)用文章-《克服第4代I/O應(yīng)用中的接收機(jī)測(cè)試挑戰(zhàn)》)。這個(gè)鏈路協(xié)商同樣需要Bert能夠在一定程度上去模擬一個(gè)真實(shí)設(shè)備和被測(cè)設(shè)備進(jìn)行溝通，解析并響應(yīng)被測(cè)設(shè)備的要求去調(diào)節(jié)信號(hào)輸出的FFE參數(shù)，并根據(jù)誤碼率來(lái)請(qǐng)求被測(cè)設(shè)備調(diào)節(jié)其輸出的FFE參數(shù)和接收端的CTLE/DFE參數(shù)，以達(dá)到最佳的誤碼率。同樣這個(gè)時(shí)候也需要BERT具備單通道直接輸出和接收并解析基于協(xié)議的碼型序列達(dá)到與被測(cè)設(shè)備的實(shí)時(shí)協(xié)商。

除了進(jìn)行一致性測(cè)試以外，對(duì)于芯片的驗(yàn)證過(guò)程中還經(jīng)常會(huì)進(jìn)行問(wèn)題定位，當(dāng)出現(xiàn)誤碼的時(shí)候，大部分工程師會(huì)去搬一臺(tái)示波器來(lái)使用示波器觀察信號(hào)波形來(lái)進(jìn)行抖動(dòng)和眼圖分析來(lái)進(jìn)行調(diào)試，這時(shí)候得把信號(hào)重新連接到示波器來(lái)進(jìn)行信號(hào)的捕獲，而且并不容易把誤碼和示波器捕獲的波形直接關(guān)聯(lián)起來(lái)找到誤碼的原因。往往你旁邊并沒(méi)有一臺(tái)高帶寬示波器供你隨意使用。由于泰克的BSX系列誤碼儀能夠精確的統(tǒng)計(jì)誤碼的個(gè)數(shù)和誤碼出現(xiàn)的時(shí)間，所以能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)的誤碼定位。這個(gè)強(qiáng)大的誤碼定位功能和抖動(dòng)眼圖分析功能可以供你進(jìn)行系統(tǒng)和芯片級(jí)別的調(diào)試，下面會(huì)舉一些真實(shí)用戶使用Bert進(jìn)行調(diào)試分析的實(shí)例來(lái)說(shuō)明。

案例一：使用誤碼儀Error Free interval功能來(lái)驗(yàn)證芯片的自適應(yīng)時(shí)間。

客戶在做芯片IP的選型驗(yàn)證，該芯片支持的速率為20.62bps,不同IP廠商會(huì)給出不同的芯片自適應(yīng)時(shí)間，一般為幾百微妙到幾百毫秒不等，如前面所述，有一些芯片的關(guān)鍵參數(shù)會(huì)影響到這個(gè)自適應(yīng)時(shí)間，如芯片的FFE/DFE的均衡自適應(yīng)時(shí)間，CDR的鎖定時(shí)間，誤碼判決電路的采樣點(diǎn)的自動(dòng)調(diào)節(jié)等?？蛻舻男枨笫菧y(cè)試從芯片開(kāi)始初始化那一刻直至誤碼率低至10^-12左右的時(shí)間。

圖4：連接拓?fù)鋱D

先按照上面圖4的連接圖連接好，將被測(cè)芯片設(shè)置為環(huán)回模式，設(shè)置Bertscope的PG輸出為被測(cè)速率，碼型設(shè)置為PRBS31，確認(rèn)CDR模塊可以正確鎖定，Error Detector能夠正確的Sync碼型，并且測(cè)試沒(méi)有誤碼。將Bert 的Error Detector端設(shè)置為Auto-resync。

然后選擇Bert scope的View里面的誤碼分析功能(Error analysis)，選擇Error free interval。點(diǎn)擊Error free interval界面，設(shè)置,Hist的end 為500000(bit)，這個(gè)參數(shù)需要根據(jù)芯片的特性靈活調(diào)節(jié)，如果芯片的自適應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，則可以適當(dāng)增加，以保證整個(gè)自適應(yīng)過(guò)程的誤碼變化情況都能夠在所選的時(shí)間范圍之內(nèi)。這個(gè)界面的橫軸是bit，可以根據(jù)信號(hào)的速率轉(zhuǎn)化為絕對(duì)的時(shí)間，縱軸是誤碼個(gè)數(shù)。我們可以根據(jù)誤碼的變化從而計(jì)算出自適應(yīng)的收斂時(shí)間。設(shè)置好以后點(diǎn)擊auto center。然后點(diǎn)擊Run。

設(shè)置好誤碼儀后，用命令將芯片的RX部分進(jìn)行一次hot reset，這時(shí)候芯片會(huì)進(jìn)行一次時(shí)鐘恢復(fù)的同步，重新調(diào)節(jié)DFE，F(xiàn)FE，在Bertscope的Error Free interval里面就可以看到出現(xiàn)大量誤碼然后再慢慢減少到?jīng)]有誤碼的過(guò)程。在300000bit左右就不再出現(xiàn)誤碼，表示這個(gè)時(shí)候自適應(yīng)過(guò)程就已經(jīng)完成。為了保證測(cè)試結(jié)果的重復(fù)性和一致性，建議將這個(gè)hot reset的過(guò)程做十次，Error free interval會(huì)自動(dòng)將這十次的結(jié)果進(jìn)行疊加。從測(cè)試的結(jié)果看，芯片的自適應(yīng)時(shí)間約為250000X(1/20.62G)約為12.5us左右。

案例二：使用誤碼的Strip chart的記錄功能來(lái)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的誤碼分析。

由于客戶的系統(tǒng)要進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的(-20到+80度下)的高低溫老化測(cè)試，客戶要看誤碼的性能和溫度變化的相關(guān)性，一般的誤碼儀只能統(tǒng)計(jì)溫度變化過(guò)程中誤碼的總的個(gè)數(shù)和誤碼率，而無(wú)法得知在整個(gè)十幾個(gè)小時(shí)里面任一時(shí)刻誤碼率的變化。而B(niǎo)SX系列誤碼儀則可以使用Strip chart的記錄功能將整個(gè)過(guò)程中記錄下來(lái)，后面可以根據(jù)需要查詢?nèi)我鈺r(shí)刻的誤碼率變化情況。如下圖，在第10/20/30秒的時(shí)間點(diǎn)出現(xiàn)了一些突發(fā)的誤碼，這個(gè)如果僅僅是通過(guò)簡(jiǎn)單的誤碼統(tǒng)計(jì)是無(wú)法看到時(shí)間相關(guān)的細(xì)節(jié)的，而且其累積記錄時(shí)間可以長(zhǎng)達(dá)幾十小時(shí)甚至幾天。

圖5：使用Strip chart功能記錄整個(gè)長(zhǎng)時(shí)間老化過(guò)程誤碼變化

案例四：使用誤碼儀的眼圖和抖動(dòng)分析功能進(jìn)行信號(hào)特性的分析。

1.客戶在測(cè)試誤碼的同時(shí)想快捷的觀察TX端輸出信號(hào)的質(zhì)量，確保芯片輸出的信號(hào)是否滿足一定的要求。2.客戶想真正的測(cè)試10^12次方下的總體抖動(dòng)的值，因?yàn)橐话闶静ㄆ鞯腡j都是通過(guò)測(cè)量RJ和DJ然后再通過(guò)一定的外推算法去得到10^12 次方下的抖動(dòng)的，由于示波器存儲(chǔ)深度和計(jì)算時(shí)間的限制，無(wú)法得到真正的Tj@10^12。但誤碼儀是可以通過(guò)連續(xù)bit的測(cè)量從而得到真正的10^12的抖動(dòng)的，并且其內(nèi)置的帶有兩個(gè)1bit的ADC在實(shí)時(shí)全速的對(duì)每個(gè)bit進(jìn)行掃描和比較，所以能夠快速的得到信號(hào)的眼圖(如圖7)。并根據(jù)每個(gè)bit的與采樣點(diǎn)的偏差計(jì)算該bit的TIE的抖動(dòng)偏移量，從而通過(guò)算法計(jì)算信號(hào)的Rj/Dj并進(jìn)行抖動(dòng)的進(jìn)一步細(xì)分。同時(shí)由于BSX系列的誤碼檢測(cè)輸入端的帶寬高達(dá)22GHz以上，所以對(duì)高速信號(hào)的眼圖和抖動(dòng)分析的精度非常高。

圖6：Bertscope的誤碼檢測(cè)端自帶的兩個(gè)1bit ADC的比較器

圖7：眼圖分析功能

圖8：抖動(dòng)分析功能

案例五：使用誤碼儀的FEC emulation 功能快速模擬芯片的FEC算法。

由于現(xiàn)在芯片和標(biāo)準(zhǔn)的速率越來(lái)越高，為了加強(qiáng)容錯(cuò)能力，如SAS4/PCIe 4.0/5.0/25G以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)都廣泛使用了FEC來(lái)進(jìn)行糾錯(cuò)，即便是犧牲了一些額外的開(kāi)銷，但能夠很大的降低誤碼率，也是值得的?？蛻舻男酒慕邮斩丝梢灾С諪EC的糾錯(cuò)功能，但要測(cè)試在不同的channel條件和不同的發(fā)送端均衡的設(shè)定下，芯片經(jīng)過(guò)FEC后的誤碼率能降低到多少，如果將信號(hào)直接環(huán)回到芯片的輸入端的話，需要不停的修改芯片的FEC的參數(shù)來(lái)進(jìn)行測(cè)試，但由于其芯片每修改一次FEC的參數(shù)如FEC的symbol size, block size，content size等等都需要重新對(duì)芯片進(jìn)行代碼編譯和下載，每次下載需要幾分鐘的時(shí)間，由于不同的條件都要測(cè)試，則組合數(shù)量很多，導(dǎo)致測(cè)試效率非常低。但是BSX系列誤碼儀的FEC功能能夠靈活實(shí)時(shí)的調(diào)節(jié)上述各種FEC的參數(shù)，并且實(shí)時(shí)的更新經(jīng)過(guò)FEC后的誤碼率變化情況，而完全不需要重新下載芯片的代碼(如圖11和圖12)。大大的提高了測(cè)試和調(diào)試的效率，而且客戶也做過(guò)認(rèn)真的對(duì)比，誤碼儀對(duì)FEC后計(jì)算得到的誤碼率和其真實(shí)芯片經(jīng)過(guò)FEC的誤碼率是非常匹配的。這個(gè)功能使客戶之前幾天的時(shí)間進(jìn)行調(diào)試過(guò)程縮短到一天之內(nèi)完成，作為泰克工程師的我之前也沒(méi)有怎么用過(guò)這個(gè)功能，覺(jué)得它是個(gè)雞肋，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)看到客戶的調(diào)試過(guò)程后也是感嘆不已。

圖9：用戶的測(cè)試拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖10：RS-FEC的設(shè)定，可以任意修改，即使生效。

圖11：FEC的仿真功能，實(shí)時(shí)計(jì)算出FEC之前和之后的誤碼率的變化。

案例六:使用BSX的pattern sensitivity的功能定位誤碼出現(xiàn)的特定比特位.

在客戶進(jìn)行誤碼測(cè)試的時(shí)候，由于鏈路的損耗和芯片的輸出特性，導(dǎo)致出現(xiàn)了誤碼，但客戶卻想知道究竟是哪一個(gè)bit位出現(xiàn)了誤碼，以定位誤碼出現(xiàn)的根源。設(shè)置Bert的輸出/輸入端設(shè)置為PRBS7的碼型，在誤碼分析功能里面選擇Patten Sensitivity，則可以直接觀察PRBS7的127個(gè)比特的每一位所出現(xiàn)誤碼的個(gè)數(shù)，看最多誤碼所對(duì)應(yīng)的比特位的前后特性，如下圖十三，移動(dòng)光標(biāo)到任意一個(gè)比特上面，可以看到連續(xù)多個(gè)0而中間有一個(gè)1跳變的bit即127比特的第94比特出現(xiàn)誤碼的個(gè)數(shù)最多，達(dá)到5043598個(gè)誤碼。從而判斷由于鏈路ISI的影響導(dǎo)致突然的跳變位出現(xiàn)較高的誤碼率。

圖12：基于碼型系列的誤碼定位

從上述的用戶實(shí)際案例可以看出，Bertscope 的眼圖抖動(dòng)和誤碼定位分析可以給客戶帶來(lái)很多調(diào)試的手段，把時(shí)域和誤碼極好的相關(guān)聯(lián)起來(lái)，幫用戶極大的提高了測(cè)試和調(diào)試的效率。