高速串行总线的常用测试码型

高速串行总线的常用测试码型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、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——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X1，同时X1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。

表格1：PRBS3的3位寄存器数值
图2：PRBS3输出信号
为何PRBSN的码长为2^N-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2^3-1=7共7种，码长位7个比特。

同理，PRBS7的码长为2^7-1=127个比特，PRBS15的码长为2^15-1=32767个比特。

PRBS7和PRBS31
PRBS7是目前10Gbps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8b10bNRZ编码的数据流很相似，所以，在PCIe、SATA、XAUI、1000BASE-LX、FC、SAS等采用8b10b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，用于眼图、抖动或误码率测量。

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8b10b编码中最长的连1为5，最长的连0也是5;因此，相比8b10b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8b10b编码的作为驱动源时的结果稍差些。

这样，PRBS7作为8b10b编码的串行总线的测试码型，留出了一定的设计余量。

图4：几种常用PRBS的说明
PRBS31的多项式为X31+X28+1，码长为2^31-1=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/SDH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，PPG12500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1V，去加重为1dB，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，以产生最大的抖动和最恶化的激励信号。

表格2：误码率测试结果
Centellax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1-12.5Gbps、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。