串行数据物理层一致性测试系列之一-- 一致性测试的共性问

一致性测试（compliance test）是PC行业为了满足PC的大规模生产所必须的、遵循相关电性能指标的step by step的测试。以上是我个人对一致性测试的定义。一致性测试的终极目的本不是为了产生测试报告，而是为了确保产品的一些关键接口的电性能指标满足要求， 但在实际中，这种测试的终极目的似乎只为了产生测试报告。  一致性测试的自动化程度要求很高，希望操作过程越“傻瓜”越好。一致性测试的测试项目繁多，我们往往不明白为什么要测试某些项目，更搞不明白这些项目差了 一点会对产品的性能产生什么影响，譬如幅度对称性测试，要求正负幅度之差为5%以内，但如果测试出来的结果是幅值正负差为5.5%，怎么办？由于一致性测 试的要求测试项目很多，在产品的开发调试阶段重点关注一些关键项目，如眼图、抖动测量。http://www.iol.unh.edu/services/testing/ge/members.php

一致性测试的一些共性问题有：示波器如何选择（示波器的带宽问题），理解各种测试项目的含义，如何将信号引到示波器（探头和夹具问题），如何使DUT发出测试码型（发包问题），测试报告，等等。

图 一所示为一典型PC主板包括各种串行总线：PCI Express，SATA，FBDIMM，SAS，UWB，HDMI，USB，Ethernet（只是示意，标识的具体位置可能不对）。此外，还有和 HDMI相竞争的总线Display Port。现在最热的当然是USB3.0。 各种总线都有自己的组织。和这些组织搞好关系对于仪器厂家至关重要。当然，这些组织的老大是Intel。 因此，和Intel搞好关系对于仪器厂家更是至关重要的。

下面我们列出这些组织及LeCroy目前和这些组织的关系。

1，LeCroy 是UNH -IOL组织(负责以太网)的特别贡献会员。

2，USB-IF很多年前就认证了LeCroy的测试方案，力科的2GHz以上示波器都获得了认证。下面是网站链接和拷屏截图：
        http://www.usb.org/developers/docs#comp_test_procedures

3， PCI-SIG很多年前就已批准了LeCroy的方案作为推荐方案，第四代示波器刚发布不久就批准为PCI-E 2.0的推荐方案。 LeCroy可以提供完整的PCI-E物理层和协议层测试。
        http://www.pcisig.com/specifications/pciexpress/compliance/compliance_library

4，LeCroy很早就是SATA-IO的会员，LeCroy可以提供SATA信号的物理层和协议层的测试方案。LeCroy在HDD行业具有传统上的垄断地位，是硬盘厂商的“唯一指定”示波器提供商。
        http://www.serialata.org/membership/member_listings.asphttp://www.serialata.org/developers/interop_14.asp
  

 

5，LeCroy为HDMI组织的测试设备制造商推荐厂商。
        http://cn.hdmi.org/manufacturer/test_equipment_manufacturers.aspx

6，LeCroy是VESA组织会员。
        http://www.vesa.org/Members/index.htm

Intel 是一家诲人不倦的公司，它除了为其芯片提供详细的设计指南之外，也为以它的芯片设计的产品的测试提供详细的测试步骤，甚至还专门开发了一种测试软件叫 Sigtest，这个软件可以免费使用，可以支持三个示波器厂家的波形数据，可以产生测试报告，而且其报告是绝对权威的。遗憾的是，目前Sigtest只 支持PCI Express,SATA和FBDIMM。

 
        图一主板上的各种串行总线             

我 通常和同事开玩笑说，什么这个总线那个总线的，都是串行总线，都是“两根线”。万变不离其宗，想到这些组织，我就想到都是在折腾这“两根线”。当然，这些 总线中有一个是特别的，那就是HDMI总线。HDMI的信号是TDMS信号，其端接方式是需要上拉到3.3V电平，而其它所有的总线都是通过50欧姆端接 到地的。 3.3V上拉给测试带来了麻烦，测试成本很高，于是当Display Port（简称DP）在2007年出来的时候，我在nVIDIA的一位朋友很兴奋，说这玩艺儿将来肯定会代替HDMI，让我通知总部赶紧发布DP的测试方 案。但两年过去后，我们的测试方案早就发布了，HDMI仍然没有被DP代替而且似乎有更热的趋势。前不久我又遇到nVIDIA的这位朋友，和他探讨此问题 的原因。 他说这是因为日本人韩国人厉害，HDMI是由日韩企业搞的，TV和DVD两大消费电子行业不改变，DP火不起来。 ……

 一致性测试的操作步骤

PCI Express，SATA和FBDIMM等基于Sigtest的一致性测试的操作步骤基本上是一样的。为使大家更感性地了解一致性测试，我们将此步骤简述 如下。示波器首先捕获信号然后用Sigtest来代替示波器的测量分析功能对捕获的信号进行分析。示波器本质上是当作了“数据采集卡”。其它的一些串行数 据的测试都是基于力科的QualiPHY软件平台来完成，自动化程度更高，我们将另文介绍。[page]

第一步：发包。发出测试码型最重要。

第二步：捕获信号。 设置采样率，单次捕获一组数据。 对于PCI Express Gen2，要求捕获100万个UI的数据量。

 

第三步： 保存波形。 将波形保存到硬盘中，保存的数据格式为二进制。

第四步：打开Sigtest软件。

 

第五步：装载波形数据。

 第六步： 验证数据文件。

第七步： 设置数据模板。

第八步： 开始测试。

第九步: 产生测试报告。

第十步：关闭Sigtest。

示波器的带宽问题:

带 宽是个老生常谈的话题了，我曾有一文专门谈带宽的:http://www.cntronics.com/public/art/artinfo/id /80003238?source=mueller。在串行数据的一致性测试中首先要考虑的是选择合适带宽的示波器作为测试的硬件平台。每种串行数据组织 都会规定示波器的带宽。 通常我们都应遵循这些组织的规定，如图三所示。如果预算不够，可以选择带宽低一点的，特别是测试经过一段PCB走线或电缆之后的信号时因为信号上升时间变 缓，通常按比特率1.8倍带宽的关系是足够的。但如果希望测试精度更高，对带宽要求就更高。[page]

图二可以很好地理解带宽问题。 能量谱密度曲线图（PSD）表示的是从三角波（蓝色）到方波（红色）的一组周期性波形。每个曲线对应的是相对于UI一定百分比的上升时间。三角波（蓝色） 的上升时间为100% UI，而方波（红色）的上升时间则为0% UI。一般来说，工业上应用的串行数据上升时间在30% UI左右。频率轴是根据信号(对NRZ信号而言)比特率归一化的频率,起始位置的频率是1/2倍比特率。随着上升时间增大到占UI的比较大的百分比，高次 谐波的PSD就会下降。随着上升时间下降到占UI的百分比变小，高次谐波的PSD会增加。在测量一定比特率信号时，通常要求覆盖5次谐波, 图中标识了5次谐波，在这一点PSD的变化范围在-15 dB到-33 dB之间。对于上升时间为本30% UI的信号，在2.5倍波特率的时候，仍然有明显的高次谐波成份。图示中对于10.3125Gbps信号，如果是用力科25GHz带宽的串行数据分析仪 SDA825Zi，则不能全部看到5次谐波周围的频谱成分，但如果用30GHz带宽则可以。

        图二  能量谱密度曲线图（PSD）

        图三   各种串行数据的推荐带宽和示波器

测试项目

每 种串行数据要求的测试项目种类不一，但大同小异，一般都要测试眼图，抖动，信号比特率，幅值，上升时间，下降时间等。各组织都详细规定了测试项目，仪器厂 家根据这些规定用软件包来实现。 比较关键的测试项目如眼图、抖动等用力科的SDA 系列标配的SDA II软件包就可以完成，不需要再另外购买软件包。我们需要研究每个测试项目的含义，理解这些测试项目对产品性能的影响。

如何将信号引到示波器

除USB2.0的某些测试项目以外，其它的一致性测试方案都使用夹具和SMA线的方式将信号从DUT引到示波器中。对于有些串行数据，在测试不同项目时需要改变夹具的连接方式。力科的QualiPHY软件包会弹出图四示的连接示意图，非常方便。

        图四 软件包自动弹出彩色的连接示意图

发包问题

 一致性测试的难点问题是 发包问题。 我每次在演示之前，都要先在办公室试一下演示的DUT能不能正常发包。一旦能发包，我们就感到万事了。而当我们测试客户的DUT时，我们常对客户说，“请 给我信号”。  很多客户常不知道怎么发包，而且认为这应是我们仪器厂家的事情。也有很多客户不理解为什么一定要发这样规定的波形，觉得这些规定的测试波形太有规律了，他 们认为应是跑业务数据流来测试更合理。这往往反而令我觉得难以解释。我说，“ ‘一致性’测试就是强制性测试，您一定要发出规定的波形去测试。如果每个人都按各自的业务数据来测试，就无法找到“一致性”标准了。测试工作状态的数据流 当然可以做眼图、抖动，但那是调试波形，不是一致性测试。”  有些行业的串行数据找不到“组织”，于是他们测试时就不管三七二十一,直接测试电路工作状态的数据眼图、抖动。这些行业一直没诞生一统天下的“大佬” ，我看那些工程师啊，整天在折腾呵！

而我们仪器厂商的很多SEs，AEs都认为发包应是工程师自己的事情。有些客户会因为我们没 有发包成功而认为我们不专业，所以，我们AE需要掌握发包方法以表现我们的专业性。大佬什么都好，但就是把有些串行数据的发包弄得玄乎得不得了，甚至有些 发包程序还很不好弄到手。

测试报告

一致性测试最终需要产生一个报告以。 PCI Express，SATA，FBDIMM等是基于sigtest测试的，sigtest会自动产生测试报告，如图 所示。 QualiPHY软件会自动产生一种最简洁最清晰最完整的报告,如图五所示。

        图五 用QualiPHY产生的一致性测试报告