巧用Bertscope进行芯片/系统接收端容限测试

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  在用户进行系统或者芯片测试的时候,一般主要验证几个方面的性能和可靠性,包括系统发送端的信号质量,链路的损耗/串扰,接收端的容限。如图1,一个链路系统的基本架构。通常在发送端会使用FFE来补偿链路的损耗,接收端会采用DFE/FFE等方法来进行均衡,一些比较高速率的标准如PCIE 4.0/5.0,SAS4等还会采用FEC来进行纠错,当然接收端还需要CDR从串行信号里进行时钟恢复得到同步时钟完成对信号的采样。
  对于系统/芯片的接收端测试,会有几个方面的挑战,第一是loopback(环回)模式的Training;第二是link(链路)training。只有在这两个部分的协商正确完成前提下,才能保证测试的顺利完成。不管是loopback training还是link training,都要求Bert具备和被测设备自动的协商功能,通过基于协议的握手和双向沟通去使被测设备进入环回模式和均衡的自适应。
  如图2,支持各种协议的系统/芯片在上电后会通过与对端设备的多次协商进入不同的子状态机,在接收端容限测试的时候需要使被测芯片的状态机从Config或者Recovery状态进入loopback的子状态,这个实现需要Bert模拟一个真正的对端设备去发送符合该协议的码型系列去training被测设备。同时Bert也要能实时的解析被测设备的协议系列以确认其是否被成功training,否则需要重新修改设置来发送training的码型序列。如图3,泰克的BSX系列误码仪最高可以支持单通道32Gbps的实时数据发送和接收,能直接产生和接收并同时解析协议的数据包,而不像其他产品只能在较低速的时候实现数据直接产生和接收,而高速标准则需要通过两个通道合并成单通道进行发送,并在接收端则将单通道再分解成两个通道进行接收。这样会导致在高速标准时不能实现真正基于协议的协商。
  如图3,除了loopback training以外,另一个重要的步骤是link training(链路协商),需要Bert和DUT进行FFE/DFE的实时协商来补偿链路的损耗,以达到最低的误码率。在USB3.1/PCIe协议中发送端会有多个级别的FFE来灵活对信号发送端进行均衡补偿,在接收端也会有CTLE和DFE多级组合来进行补偿。(详细的链路协商步骤细节可以参考泰克的相关应用文章-《克服第4代I/O应用中的接收机测试挑战》)。这个链路协商同样需要Bert能够在一定程度上去模拟一个真实设备和被测设备进行沟通,解析并响应被测设备的要求去调节信号输出的FFE参数,并根据误码率来请求被测设备调节其输出的FFE参数和接收端的CTLE/DFE参数,以达到最佳的误码率。同样这个时候也需要BERT具备单通道直接输出和接收并解析基于协议的碼型序列达到与被测设备的实时协商。
  除了进行一致性测试以外,对芯片的验证过程还经常会需要问题定位。当出现误码时,大部分工程师会搬来一台示波器,使用示波器观察信号波形进行抖动和眼图分析以便于调试,这时就需要把信号重新连接到示波器进行信号的捕获,然而事实上并不容易把误码和示波器捕获的波形直接关联起来找到误码的原因。并且我们的身旁并不一定恰好就有一台高带宽示波器。由于泰克的BSX系列误码仪能够精确的统计误码的个数和误码出现的时间,所以能够实现精准的误码定位。这个强大的误码定位功能和抖动眼图分析功能可供进行系统和芯片级别的调试,下面会举一些真实用户使用Bert进行调试分析的实例来说明。
  案例一:使用误码仪ErrorFree interval功能来验证芯片的自适应时间
  客户在做芯片IP选型验证,该芯片支持的速率为20.62bps,不同IP厂商会给出不同的芯片自适应时间,一般为几百微秒到几百毫秒不等,如前面所述,有一些芯片的关键参数会影响到这个自适应时间,比如芯片的FFE/DFE的均衡自适应时间、CDR的锁定时间、误码判决电路的采样点的自动调节等。客户的需求是测试从芯片开始初始化那一刻直至误码率低至10-12左右的时间。
  先按照图4的连接图连接好,将被测芯片设置为环回模式,设置Bertscope的PG输出为被测速率,码型设置为PRBS31,确认CDR模块可以正确锁定,Error Detector能够正确的Sync码型,并且测试没有误码。将Bert的Error Detector端设置为Auto-resync。然后选择Bert scope的View中误码分析功能(Error analysis),选Error freeinterval。点击Error free interval界面,设置Hist的end为500000(bit),这个参数需要根据芯片的特性灵活调节,如果芯片的自适应时间较长,则可以适当增加,以保证整个自适应过程的误码变化情况都能够在所选的时间范围之内。这个界面的横轴是bit,可以根据信号速率转化为绝对时间,纵轴是误码个数。根据误码的变化从而计算出自适应的收敛时间。设置好以后点击auto center,然后点击Run。
  设置好误码仪后,用命令将芯片的RX部分进行一次hot reset,这时候芯片会进行一次时钟恢复的同步,重新调节DFE,FFE,在Bertscope的Error Free interval里面就可以看到出现大量误码然后再慢慢减少到没有误码的过程。在300000bit左右就不再出现误码,表示这个时候自适应过程就已经完成。为了保证测试结果的重复性和一致性,建议将这个hot reset的过程做十次,Error free interval会自动将这十次的结果进行叠加。从测试结果看,芯片的自适应时间约为250000X(1/20.62G)约为12.5us左右。
  案例二:使用误码的Stripchart的记录功能来进行长时间的误码分析
  由于客户的系统要进行长时间的(-20℃~+80℃)的高低温老化测试,客户要看误码的性能和温度变化的相关性,一般的误码仪只能统计温度变化过程中误码的总个数和误码率,而无法得知在整个十几个小时里任一时刻误码率的变化。而BSX系列误码仪则可以使用Stripchart的记录功能将整个过程记录下来,后面可以根据需要查询任意时刻的误码率变化情况。如图5,在第10/20/30秒的时间点出现了一些突发的误码,这个如果仅仅是通过简单的误码统计是无法看到时间相关的细节,而且其累积记录时间可以长达几十小时甚至几天。   案例三:使用误码仪的眼图和抖动分析功能进行信号特性的分析
  客户在测试误码的同时需要快捷地观察TX端输出信号的质量,确保芯片输出的信号满足一定的要求。此外,客户还想真正地测试1012下的总体抖动值,因为一般示波器的Tj都是通过测量RJ和DJ然后再通过一定的外推算法得到1012下的抖动。由于示波器存储深度和计算时间的限制,无法得到真正的Tj@1012。但误码仪可以通过连续bit的测量得到真正的1012的抖动,并且其内置的带有两个lbit的ADC在实时全速的对每个bit进行扫描和比较,所以能够快速得到信号的眼图(如图7)。并根据每个bit的与采样点的偏差计算该bit的TIE的抖动偏移量,从而通过算法计算信号的Rj/Dj并进行抖动的进一步细分。同时由于BSX系列的误码检测输入端的带宽高达22GHz以上,所以对高速信號的眼图和抖动分析的精度非常高。
  案例四:使用误码仪的FECemulation功能快速模拟芯片的FEC算法
  由于芯片和标准的速率越来越高,为了加强容错能力,如SAS4/PCIe 4.0/5.0/25G以太网的标准都广泛使用了FEC来进行纠错,即便是牺牲了一些额外的开销,但能够大幅降低误码率也是值得的。客户的芯片接收端可以支持FEC的纠错功能,但要测试在不同的channel条件和不同的发送端均衡设定下,芯片经过FEC后的误码率能降低到多少,如果将信号直接环回到芯片输入端的话,需要不停地修改芯片的FEC参数来进行测试。由于其芯片每修改一次FEC的参数,如FEC的symbol size、block size、content size等都需要重新对芯片进行代码编译和下载,每次下载需要几分钟的时间。加之不同的条件都要测试,因此组合数量很多,导致测试效率非常低。BSX系列误码仪的FEC功能能够灵活实时地调节上述各种FEC的参数,并且实时更新经过FEC后的误码率变化情况,而完全不需要重新下载芯片的代码(如图11和图12),极大地提高了测试和调试的效率。而客户也做过认真地对比,误码仪对FEC后计算得到的误码率和其真实芯片经过FEC的误码率是非常匹配的。这个功能使客户之前几天的时间进行调试过程缩短到一天之内完成。
  案例五:使用BSX的patternsensitivity的功能定位误码出现的特定比特位.
  在客户进行误码测试的时候,由于链路的损耗和芯片的输出特性,导致出现了误码,但客户却想知道究竟是哪一个bit位出现了误码,以定位误码出现的根源。将Bert的输出/输入端设置为PRBS7的码型,在误码分析功能里选择Patten Sensitivity,则可以直接观察PRBS7的127个比特中每一位出现误码的个数,看最多误码所对应的比特位的前后特性,如图13,移动光标到任意一个比特上面,可以看到连续多个0而中间有一个1跳变的bit即127比特的第94比特出现误码的个数最多,达到5043598个误码。从而判断由于链路ISI的影响导致突然的跳变位出现较高的误码率。
  从上述的用户实际案例可以看出,Bertscope的眼图抖动和误码定位分析可以给客户带来很多调试手段,把时域和误码极好的相关联起来,可极大地提高用户的测试和调试效率。
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