高速串行信号的测试码型分析

高速串行链路设计的测试码型讨论
美国Centellax公司深圳代表处张昌骏
摘要
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。

关键词
测试码型，高速背板的物理层测试，高速电缆的物理层测试，PRBS，伪随机码型
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PCIe Gen2、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（Pseudo Random Binary Sequence，简称PRBS），主要有PRBS7、PRBS15、PRBS23和PRBS31。

除了PRBS以外，K28.5、1010、CJPA T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（Linear Feedback Shift Register，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。

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。

图1：PRBS3码型发生器原理
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。

图 2：PRBS3输出信号
为何PRBS N 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-T V .29规范
中规定。

PRBS7属于短伪随机码型，
与8b10b NRZ
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 图 3：PRBS7码型发生器原理
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。

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。