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1、本文讨论了高速串行链路中常用的测试码型伪随机码流的原理，以及不同的测试码型对 物理层测试结果的影响。高速串行总线的常用测试码型 在当今的电信和计算机产品上，相比传统的并行总线，电路中的串行总线越来越多，速 率越来越快。比如通信产品中的10GBase-KR、CPRI2代，计算机中的PCIeGen2、SATA6G, 存储产品中的SAS6G、FC8.5G,这些串行总线都陆续的跨过了 5Gbps。由于速率比较高， 使得串行总线上的相关的收发器芯片(SERDES)、连接器、单板、背板的设计面临着越来越 多的挑战。对于这些高速串行总线的物理层测试,测试码型的选用至关重要,在很多串行总 线的规范中对测试码型
2、有严格的要求。本文将对此进行探讨。首先,串行总线的物理层测试通常分为发射机测试和接收机测试,又称为 TX 测试和 RX 测试。发射机测试通常包括眼图、抖动、信号波形、幅度、上升下降时间等测试项目, 接收机测试通常包括误码率、抖动容限、接收机灵敏度等测试项目。对于眼图测试、误码率 和抖动容限测试，最常用的测试码是伪随机码(PseudoRandomBinarySequence,简称PRBS)， 主要有 PRBS7、PRBS15、PRBS23 和 PRBS31。除了 PRBS 以外，K28.5、1010、CJPAT等 码型在很多串行总线的物理层测试中都很常用，特别是计算机上的串行标准(比如 SATA
3、、 USB3.0、SAS)的测试码型有所不同，在本文中主要讨论最常用的测试码型一一PRBS。PRBS 的实现方法顾名思义， PRBS 是伪随机码流，在其码流中包括了所有可能出现的比特组合，而且其 出现的概率是相同的。 PRBS 信号是由 PRBS 码型发生器生成的。 PRBS 发生器通常是由线 性反馈移位寄存器(LinearFeedbackShiftRegister,简称LFSR)和异或电路组成。如下图1所示 为最简单的PRBS3的码型发生器，其多项式为X3+X2+1，即寄存器的第3位与第2位做异 或(XOR)的逻辑运算后返回到寄存器的第1 位,寄存器的第3位X3同时也是PRBS3发生器 的输
4、出。图 1：PRBS3 码型发生器原理在表格1中显示了 PRBS3的n个周期的时钟后输出n个比特的码流X1/X2/X3分别是 3个比特移位寄存器的低位到高位，输出位是X3，初始状态为X1/X2/X3=1/1/1,如表格第 1 行所示。第1个时钟沿到达后，X3与X2异或后等于0输入到XI,同时XI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个时钟沿到达后，X3与X2异或后等于0,输入到X1，同时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个时钟沿到达后，X3与X2异或后等于1,输入到X1，同时X1和X2前移到X2 和
5、X3,所以X1/X2/X3=1/0/0，如表格第4行所示；以此类推，第5行为0/1/0，第6行为1/0/1，第7行为1/1/0，第8行为1/1/1，与初始 状态相同，接下来的第9行和第10行与第2行和第3行完全相同，也就是说PRBS3的码型 输出7个比特后开始重复。X3是PRBS3的输出位，所以PRBS3输出的码型为1110010,码 长为7,如图2所示，每7个比特后开始重复输出同一码型。在PRBS3中包括了 11100属 于码流中频率最低的码型， 010 是频率最高的码型。El12ISJ11120110014100J01Ij百101711Ij1115011S0n01SS100J2010表格1
6、： PRBS3的3位寄存器数值PR B热输出信号111 1 1 1 1f-邮氈3精已智呂:i 54)67? 40 tl 12图 2： PRBS3 输出信号为何PRBSN的码长为2AN-1在PRBS3的3位寄存器可以产生2的3次方合计8个排列组合。采用XOR异或电路 的PRBS发生器在3个比特都是0的时候，下一个时钟到来的时候，第3个比特和第2个比 特异或后还是0，输入到寄存器的第一位还是0，同时第1个和第2个比特前移到第2个和 第3个比特，这样，移位后寄存器的3个比特都是0,则PRBS发生器的输出一直都是0, 被锁住。所以PRBS3码流中不能出现3个全0的比特，这样，PRBS3的组合方式为2人
7、3-1=7 共7种，码长位7个比特。同理，PRBS7的码长为2人7-1=127个比特，PRBS15的码长为 2人15-1=32767个比特。PRBS7 和 PRBS31PRBS7是目前lOGbps以下的串行总线中最常用的测试码型。常用的PRBS7的多项式 为X7+X6+1，码长为127个比特，在ITU-TV.29规范中规定。PRBS7属于短伪随机码型， 与 8blObNRZ 编码的数据流很相似，所以，在 PCIe、SATA、XAUI、lOOOBASE-LX、FC、 SAS等采用8b1Ob编码的串行总线中，PRBS7是最常用的测试码型，支持这些总线的芯片 通常都可以输出PRBS7测试码型，用于眼
8、图、抖动或误码率测量。XIX2X3X4X6K7型投生器图 3：PRBS7 码型发生器原理PRBS7的码流中最长的连1为7个，最长的连0为6个;而8b1Ob编码中最长的连1为 5,最长的连0也是5;因此，相比8b1Ob编码,PRBS7可以产生的较低频率的码型。使用PRBS7 作为驱动源，在同一信道（比如背板上 20 英寸长走线）上传输到接收端后得到眼图和抖动， 都比8b1Ob编码的作为驱动源时的结果稍差些。这样，PRBS7作为8b1Ob编码的串行总线 的测试码型，留出了一定的设计余量。FaneniOJllflg VitaleIMytiom inETone Spacing (lOGhpK)CCIT
9、T / Tl： Mimdard13 - I0助1+ Xsn 4 1 0w F丄+ i =o25 - 1sE15X5 + X 4 L 门aafikHz匚口 TTO.1S1 ITL-T 0.151硼一 13E:oV - X - i9.78MHzCCITT 0.13! /1TU-TOJ922 - 12E?X * XE 4 2 = 078.7MH1IW-T W2Q图 4：几种常用 PRBS 的说明PRBS31的多项式为X31+X28+1，码长为2人31-1=2147,483,647个比特，属于长伪随机 码型。码流中最长的连1为31个，最长的连0为30个，包含了相当多的低频成分而这正是 SONET/SD
10、H系统测试规范中所要求的，所以可用于像SONET/SDH信号那样包含了很多低 频成分的物理层测量。除了 PRBS外，K28.5也是常用的测试码型之一。K28.5是8b10b编码表中的一个命令 字，也是采用 8b10b 编码的串行链路中最常用的测试码型，由 K28.5-=0011111010 和 K28.5+=1100000101组成，它有五个连续的1和五个连续的0,是8b10b编码中最长的连1 和连0,也就是说K28.5包括了 8b10b编码中最低频的码型，同时，K28.5中有101和010 这样的高频码型，因此，K28.5非常适合测量和SI仿真时作为驱动端的激励，来计算信道 的码间干扰（又称
11、ISI）。我们知道，在8Gbps以下的串行总线上，8b10b编码是最常用的编码 技术，这样也导致了 K28.5 是最流行的测试码型之一。在 FC 和 XAUI 标准中，也规定了 K28.5为固有抖动的测试码型。各种测试码型在同一信道上传输到接收端的测试结果分析图5 所示为高速背板、电缆的物理层测试的示意图，在发送端使用码型发射器作为驱动 信号源，接收端使用误码检测器测量误码，或者使用示波器测量眼图。这样，就组成了完整 的高速背板、电缆的物理层测试系统。图 5 ：高速印刷电路板的评估与测试系统 在本次测试中，我们使用了美国 Centellax 公司的可编程码型发生器 PPG12500， PPG1
12、2500 的输出信号速率可在 1G 到 12.5Gbps 任意调节。把输出信号的比特率设置为 10.3125Gbps，幅度IV,去加重为ldB，输出码型分别为PRBS7/15/23/31。信道为某24英 寸长PCB走线，在接收端使用Centellax的误码仪PCB12500测量误码率。表格2为测试结 果，可见，驱动码型为短码型 PRBS7 时，误码率为 0，而驱动码型为长码型 PRBS31 时， 接收端的误码率最高。随着串行速率不断升高，8b10b编码在某些高速率链路上已不被采用, 因此，在这些链路中很少使用 PRBS7 作为测试码型，几乎都使用了 PRBS31 作为测试码型， 以产生最大的抖
13、动和最恶化的激励信号。表格 2：误码率测试结果PRBS7FRES15PEBS23PRE 辺 1EER0L1.16E-071.51E-062. 43E-06Centellax的PPG12500产品介绍，特点，应用范围。Centellax公司的PPG12500是速率在1-12.5Gbps可调的可编程码型发射器，相比其他 码型发射器，有以下特点：1.可编程码型长度高达 24M 个比特2内置了 2个tap的去加重，可以用于评估某特定长度背板走线的TX端所需的去加重 程度，而很多码型发射器都没有内置去加重功能，必须使用昂贵的外置去加重仪器附件。如 下图6所示为示波器测量PPG12500输出的某6dB去加
14、重的波形。3.抖动透明传递功能，即码型发射器的参考输入时钟中注入抖动后， PPG12500 的输出 数据中也带有同类型抖动。如下图7为PPG12500搭配Centellax的时钟源TG1C1A，可以输出比特率为l-12.5Gbps、带有正弦抖动的串行数据。4可前面板控制，或者使用USB和GPIB遥控，提供了 Labview驱动或者GUI来控制。图6： PPG12500输出的带6dB去加重的码型图7： Centellax的码型发射器PPG12500与时钟源TG1C1A结语在高速数字电路的互联设计中，伪随机码型PRBS是最常用的测试码型，Centellax的解 决方案（码型发射器PPG12500加时钟源TG1C1A）提供了 1-12.5G的比特率任意可调、集成 去加重、可注入正弦抖动等强大功能，可以作为验证高速背板与高速电缆的驱动信号源、或 者接收机抖动容限的加压信号源、以及发送端去加重程度的仿真器，是目前业界最高性价比 的码型发生器。
