#01

PCIe Gen 5 簡介

PCIe 是用于硬盤、固態(tài)硬盤 (SSD)、圖形卡、Wi-Fi 和內(nèi)部以太網(wǎng)連接的先進(jìn)互連 I/O 技術(shù)。PCIe 由一組快速、可擴(kuò)展且可靠的 I/O 標(biāo)準(zhǔn)組成，用于串行數(shù)據(jù)傳輸總線。PCIe 的物理層 (PHY) 還支持 SATA Express (SATAe) 和非易失性存儲(chǔ)器規(guī)范 (NVMe)。

表 1 顯示了 PCIe 數(shù)據(jù)速率的演變，PCIe 5.0 的吞吐量較上一代 PCIe 4.0 增加一倍。需要注意的是 PCIe 原始傳輸速率的單位是 GT/s ,而鏈路數(shù)據(jù)速率的單位是 Gb/s。

表 1：五代 PCIe 的對(duì)比表

需要注意，編碼方案從 PCIe 2 的 8B/10B 更改為 PCIe 3 的 128B/130B，將開銷從 20％ 降低到 2％ 以下，使得原始傳輸速率從 5 GT/s 更改為 8 GT/s，鏈路數(shù)據(jù)速率從 4 Gb/s 更改為 8 Gb/s。本文研究了關(guān)鍵的 PCIe 5.0 串行器/解串器 (SerDes) 測試。PCIe 測試的關(guān)鍵設(shè)備包括誤碼率測試儀 (BERT) 和實(shí)時(shí)示波器。特別是 PCIe 5.0 測試，要求使用高質(zhì)量 BERT 的脈沖碼型發(fā)生器 (PPG) 和 BERT 的誤碼分析儀 (ED)。PPG 需要能精確生成特定損耗的信號(hào)，ED 應(yīng)能夠分析 SerDes 輸出誤碼率 (BER) 以確定待測件是否符合 PCIe 規(guī)范。對(duì)于最復(fù)雜的 SerDes 測試，如鏈路均衡訓(xùn)練，誤碼儀需要能夠模擬 SerDes。PPG 和 ED 必須在 PCIe 5.0 協(xié)議棧下的物理邏 輯子層與被測設(shè)備 (DUT) 進(jìn)行交互（圖 1），也就是說誤碼儀需要具備一定程度的協(xié)議交互功能。無論是要進(jìn)行發(fā)端還是接收端測試，SerDes 都會(huì)涉及到 ；為了清楚地區(qū)分，我們分別用“DUT-發(fā)端”和“DUT-收端”代替 DUT-SerDes。

圖 1：PCIe 協(xié)議棧。

下一章節(jié)將回顧以 32 GT/s 的速度傳輸 NRZ 信號(hào)所帶來的挑戰(zhàn)，第 3 部分將比較 PCIe 4.0 與 PCIe 5.0 的測試方法，第 4 部分介紹鏈路訓(xùn)練，第 6-9 部分介紹關(guān)鍵的 SerDes 測試。本文最后討論為實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的 PCIe 5.0 調(diào)試和一致性測試，需要配置哪些關(guān)鍵的測試設(shè)備功能。

#02

32 GT/s 下 NRZ 的挑戰(zhàn)

從 PCIe 4.0 的 16 GT/s 升級(jí)到 PCIe 5.0 的 32 GT/s 帶來的最大挑戰(zhàn)是在規(guī)定的 BER≤2.5×10-13的情況下，如何在高達(dá) 37 dB 的損耗下正常運(yùn)行。為了遷移損耗所引起的問題，大多數(shù)運(yùn)行速度超過 30 GT/s 的標(biāo)準(zhǔn)都采用了 PAM-4（4 電平脈沖幅度調(diào)制）。PAM-4 可以將帶寬減半，但代價(jià)是信噪比降低了 9.5 dB 以上。PCIe 5.0 繼續(xù)使用非歸零 (NRZ) 調(diào)制方案，以高電平表示邏輯 1s，以低電平表示邏輯 0s。預(yù)期 PCIe 6.0 將采用 PAM-4 并將達(dá)到 64 GT/s 的速率。在如此高的損耗下，符合 PCIe 5.0 規(guī)范的信號(hào)在均衡后的眼高可能會(huì)低至 10 mV，如此小的眼張開幅度需要非常靈敏的閾值判決電壓。為了支持更長的鏈路，當(dāng)損耗超過-36 dB 或信號(hào)通過兩個(gè)或更多連接器時(shí)，這時(shí)需要用到重定時(shí)器。從 PCIe 4.0 到 PCIe 5.0, 數(shù)據(jù)速率提升了一倍，但標(biāo)準(zhǔn)委員對(duì)一致性測試性要求做了最低程度的修改。為解決信號(hào)衰減問題， 對(duì)信道和連接器的損耗和反射提出了更為嚴(yán)格的要求，并且對(duì)接收器和發(fā)射器均衡進(jìn)行了小幅改進(jìn)。盡管如此，并沒有特定的創(chuàng)新來補(bǔ)償由于數(shù)據(jù)速率翻倍帶來的升降時(shí)間變短、單位間隔 (UI) 變小和插入損耗變大而引起的不可避免的問題。 2.1符號(hào)間干擾和均衡

符號(hào)間干擾 (ISI) 是由頻率相關(guān)的信道損耗引起的，每個(gè)傅里葉頻率分量損耗程度不同，會(huì)導(dǎo)致位重疊并產(chǎn)生干擾。“鏈路訓(xùn)練”自適應(yīng)均衡方案可以糾正 PCIe 5.0 中的 ISI。鏈路訓(xùn)練涉及發(fā)端和收端之間的通信，以優(yōu)化和協(xié)調(diào)可調(diào)節(jié)的均衡參數(shù)：發(fā)端的前饋均衡器（FFE)的階數(shù)、收端 CTLE 增益和決策反饋均衡器 DFE 的階數(shù)。

FFE 是對(duì)較低數(shù)據(jù)速率下使用的去加重方案，F(xiàn)FE 不僅僅是修改轉(zhuǎn)換位的的幅度，而是擴(kuò)展到轉(zhuǎn)換位前后兩個(gè)或更多位的幅度 （圖 2）的修改。最終，發(fā)端 FFE 以某種方式對(duì)波形進(jìn)行預(yù)失真，從而部分補(bǔ)償由信道頻率響應(yīng)引起的失真。

圖 2：發(fā)端 3 階 FFE 的實(shí)現(xiàn)方式

隨著 PCIe 速率的不斷提高，抖動(dòng)、噪聲、失真、串?dāng)_和 ISI 也會(huì)為設(shè)計(jì)帶來更大的挑戰(zhàn)，PCIe 5.0 眼圖在收端完全閉合。為了實(shí)現(xiàn) BER ≤10-12，接收的實(shí)現(xiàn)會(huì)變得越來越復(fù)雜：其中包括時(shí)鐘恢復(fù)、發(fā)射端和收端的多個(gè)均衡方案、以及本文所述提及的為了評(píng)估誤碼率所需要的靈敏度要求等。

PCIe 規(guī)范規(guī)定了接收器性能要求，但從未規(guī)定接收器應(yīng)如何滿足這些要求。相反，PCIe 5.0 定義了具有時(shí)鐘恢復(fù)、CTLE 和 DFE 的“參考接收機(jī)”，我們可以將這一參考看作是專為評(píng)估發(fā)端而定義的合理的接收器實(shí)現(xiàn)方式。

#03

PCIe 4.0 和 5.0 SerDes 要求比較

PCIe 標(biāo)準(zhǔn)包含三個(gè)相互依賴的規(guī)范，旨在確保不同供應(yīng)商之間的 SerDes 和信道之間的互操作性：

? BASE 規(guī)范定義了芯片級(jí)性能，這是一份由上千頁內(nèi)容組成的綜合文檔。

? CEM 規(guī)范規(guī)定了插卡連接器的最低性能。

? 測試規(guī)范設(shè)置了一致性測試的規(guī)則。

表 2 總結(jié)了 PCIe 4.0 和 5.0 SerDes 要求之間的區(qū)別。

表 2：PCIe 4 和 5 標(biāo)準(zhǔn)總結(jié)

PCIe 4.0 和 5.0 有很多共同點(diǎn)，兩者均使用 NRZ 調(diào)制、128B/130B 編碼、相同的 10-12BER 目標(biāo)以及相同的連接器引腳。發(fā)端使用相同的 FFE 方案，有 11 組加重預(yù)設(shè) P0-P10。Gen 5.0 的參考接收機(jī)均衡方案更加詳盡；與 PCIe 4.0 中使用的 2 極點(diǎn)、1 零點(diǎn) CTLE 響應(yīng)不同，PCIe 5.0 使用 4 極點(diǎn)、2 零點(diǎn) CTLE 濾波器響應(yīng)（圖 3）。

新的 CTLE 提供更大的靈活性和更深的增益范圍，即 -5 到 -15 dB。PCIe 5.0 還為參考接收器 DFE 添加了第三個(gè) tap。

圖 3：PCIe 5.0 接收器均衡方案：(a) CTLE 響應(yīng)和 (b) DFE 結(jié)構(gòu)。

發(fā)端的輸出電壓保持不變，PCIe 4.0 和 5.0 都單位間隔(UI)d 的抖動(dòng)指標(biāo)是一樣的。但如果換算成皮秒單位時(shí)，抖動(dòng)要成比例減少。在 PCIe4.0 中，分布式參考時(shí)鐘或共用時(shí)鐘的架構(gòu)是可選的，但是在 PCIe 5.0 是必須要求支持的。

速率從 16 GT/s 提升到 32 GT/s 的最大困難在于損耗需要從-28dB 增加到 -376dB；因此，信道要求進(jìn)行了重新定義，CEM 規(guī)范僅允許插卡采用表面安裝連接器，而不允許使用過孔連接器。

損耗增加意味著 PCIe 5.0 需要新的一致性測試板，PCIe5.0 的測試夾具只能從 PCI-SIG 購買。測試夾具包括 CBB 和 CLB，都可從外部對(duì)兩者進(jìn)行復(fù)位以及 Preset 的切換控制。

#04

鏈路訓(xùn)練

鏈路訓(xùn)練要求收端與處于 PCIe 協(xié)議棧物理層的電氣子層和邏輯子層的發(fā)端進(jìn)行通信，自適應(yīng)均衡方案通過鏈路訓(xùn)練狀態(tài)和狀態(tài)機(jī) (LTSSM) 進(jìn)行工作，如圖 4 所示，LTSSM 將系統(tǒng)配置為以可能的最大數(shù)據(jù)速率工作。

LTSSM-鏈路培訓(xùn)狀態(tài)和狀態(tài)機(jī)

圖 4：控制自適應(yīng)均衡的 LTSSM。

從上電開始，LTSSM 會(huì)經(jīng)歷以下階段：

檢測：接收機(jī)檢測收到的發(fā)端信號(hào)。上電開始，發(fā)端以 2.5 GT/s 的速度發(fā)送 PCIe 1.0 信號(hào)。

輪詢：接收機(jī)同步波形并確定位速率和極性。

配置：確定通道寬度，即 PCIe 信道數(shù)。

L0：啟用鏈路訓(xùn)練。

恢復(fù)：發(fā)端按照根據(jù)預(yù)設(shè)的 FFE tap 或者根據(jù)上一工作狀態(tài)優(yōu)化的一組 tap 工作。上電時(shí)，它在沒有 FFE 的情況下工作，這等同于將所有 tap 設(shè)為 1。PCIe 2.0 有兩組 preset，PCIe 3.0 有 10 組 preset，PCIe 4.0 和 5.0 都有 11 組 preset ，依次標(biāo)為 P0、P1、...P10。

環(huán)回：收端使用內(nèi)置的系統(tǒng)測試功能，例如 CRC，來檢查訓(xùn)練序列同步信號(hào)的 BER 性能。

a. 如果 BER 性能是可以接受的，并且系統(tǒng)以低于 PCIe 5.0 的速率（即 32 GT/s）運(yùn)行，則收端向發(fā)端發(fā)送請(qǐng)求以提高數(shù)據(jù)速率，換言之，從 PCIe n 升級(jí)到 PCIe n+1，然后，接收器返回到檢測階段。

b. 如果 BER 性能不可接受，但是鏈路訓(xùn)練時(shí)間未超過最大時(shí)限，則會(huì)發(fā)生以下一種或多種情形：i. 收端發(fā)送請(qǐng)求，請(qǐng)求發(fā)端發(fā)送不同的 FFE tap：遞增、遞減、保持不變或加載另一個(gè)預(yù)設(shè)。ii. 收端修改自己的均衡方案，例如，調(diào)整 CTLE 增益和/或 DFE tap，但請(qǐng)注意，PCIe 僅指定接收器的 BER 性能，而不指定均衡技術(shù)。然后，系統(tǒng)返回到恢復(fù)階段。

c. 如果鏈路訓(xùn)練時(shí)間超過了最大時(shí)限，并且接收器尚未找到一種均衡方案以使它能以最大允許 BER 或 更高的 BER 工作，或者接收器失去同步，則系統(tǒng)將恢復(fù)為較低的數(shù)據(jù)速率。

在發(fā)端均衡測試時(shí)，BERT ED 充當(dāng)環(huán)回模式工作的參考接收器。它指示 BERT PPG 向 DUT-發(fā)端發(fā)送對(duì)不同 preset 的請(qǐng)求。示波器捕獲并分析發(fā)端的波形。

在接收測試時(shí)下，BERT PPG 充當(dāng)參考發(fā)射機(jī)。參考發(fā)射機(jī)通過 ISI 測試板將衰減幅度最大的信號(hào)發(fā)送到 DUT-收端。在階段 1 中，它發(fā)送基于協(xié)議的訓(xùn)練序列，將速率、極性和配置傳達(dá)給 DUT-接收器。到了階段 5，處于環(huán)回模式的 DUT 發(fā)送 FFE tap 請(qǐng)求；BERT PPG 接收并解釋這些消息，并相應(yīng)地修改其 FFE 方案。

#05

發(fā)端鏈路均衡測試

發(fā)端測試需要用到 PCI-SIG 提供的 SigTest 。圖 5 顯示了 CEM 或 BASE 測試圖。在 CEM 測試中，DUT 既包括 SerDes，也包括安裝 DUT 的插卡。在 BASE 測試中，DUT 只包含 SerDes 本身，并且安裝在系統(tǒng)板上。這兩個(gè)測試非常相似。我們將詳細(xì)研究 CEM 插卡測試，然后在第 9 部分 中介紹如何歸納這一測試并應(yīng)用到 BASE 測試。

圖 5：標(biāo)稱 PCIe 5.0 信道。

5.1 初始發(fā)射器均衡測試

BERT PPG 通過 PCIe 物理層邏輯子塊協(xié)議將請(qǐng)求發(fā)送到 DUT-發(fā)端（圖 6）。BERT PPG 按照每個(gè) PCIe 數(shù)據(jù)速率下的 FFE 預(yù)設(shè)依次向 DUT-SerDes 發(fā)送請(qǐng)求。DUT-發(fā)端修改其 FFE 方案并發(fā)射信號(hào)。DUT-發(fā)端輸出信號(hào)被分成兩路，以便其信號(hào)同時(shí)發(fā)送到示波器和 BERT ED。BERT ED 作為參考接收器確認(rèn)預(yù)設(shè)變化，而 BERT 使用 PPG 輔助輸出觸發(fā)示波器捕獲每個(gè)信號(hào)。示波器按照每個(gè) FFE 預(yù)設(shè)和每個(gè)數(shù)據(jù)速率捕獲波形，然后運(yùn)行安裝在示波器上的 SigTest。SigTest 會(huì)評(píng)判每個(gè)波形是否符合規(guī)范并給出結(jié)果。

圖 6：初始發(fā)射器均衡測試裝置。

5.2 發(fā)端鏈路均衡響應(yīng)測試

發(fā)端鏈路均衡響應(yīng)測試測量 DUT-發(fā)端響應(yīng) FFE tap 請(qǐng)求所花費(fèi)的時(shí)間，并確定響應(yīng)是否正確。BERT 充當(dāng)環(huán)回模式下的參考 SerDes。示波器確定請(qǐng)求的時(shí)間 tReq 和 FFE tap 變化的時(shí)間 tChange。tChange - tReq 必須小于或等于指定的最大值，BASE 規(guī)定為 500 ns，CEM 規(guī)定為 1 μs。圖 7 顯示了測試設(shè)置。BERT PPG 差分輸出信號(hào)一分為二，分別將信號(hào)傳輸?shù)?DUT-收端和示波器。DUT-發(fā)端輸出也分為兩路，分別將信號(hào)發(fā)送到示波器和作為參考接收器的 BERT ED。

圖 7：發(fā)射器鏈路均衡響應(yīng)測試裝置。

測試從 BERT PPG 向 DUT-發(fā)射器發(fā)送預(yù)設(shè)請(qǐng)求開始，也就是從 PHY 層邏輯子塊中的協(xié)商開始。DUT 通過更改其 FFE tap 做出響應(yīng)。示波器還將接收并必須能夠識(shí)別預(yù)設(shè)請(qǐng)求才能測量 tReq；從這個(gè)意義上說，示波器必須具有某種協(xié)議功能。示波器也可以通過觸發(fā)信號(hào)來確定 tReq，但是由于觸發(fā)電纜的時(shí)間延遲，這種方法增加了測量的不確定性。圖 8 是示波器屏幕截圖，其中金色表示 BERT PPG 輸出，藍(lán)色表示 DUT-發(fā)端信號(hào)。DUT-發(fā)射器 FFE 預(yù)設(shè)變化時(shí)間 tChange 十分明顯。示波器通過標(biāo)記接收包含請(qǐng)求的數(shù)據(jù)包的時(shí)間來確定 tReq。

圖 8：示波器的屏幕截圖，金色表示 BERT PPG 的輸出，藍(lán)色表示 DUT-發(fā)端的輸出。

#06

接收機(jī)鏈路均衡測試

PCIe 5.0 接收機(jī)僅在物理層級(jí)別進(jìn)行一致性規(guī)范測試：通過在鏈路均衡測試中使用加壓信號(hào)，同時(shí)評(píng)估鏈路訓(xùn)練和加壓壓接收機(jī)容限。BERT PPG 傳輸包括抖動(dòng)和干擾的測試信號(hào)：隨機(jī)抖動(dòng) (RJ)、正弦抖動(dòng) (SJ)、正弦差模干擾 (DMI) 和共模干擾 (CMI)。一個(gè)“可變 ISI”測試板具有多個(gè)差分跡線長度，損耗以 0.5 dB 為步長介于 34 到 37 dB 之間，適用于不同程度的損耗和 ISI。示波器用于校準(zhǔn)測試信號(hào)。接收機(jī)壓力容限測試的概念是讓 DUT-收端能夠適應(yīng)符合規(guī)范的最差信號(hào)。DUT-SerDes 必須能夠使用此最大加壓信號(hào)來訓(xùn)練鏈路。鏈路經(jīng)過訓(xùn)練，并且發(fā)端 FFE 和接收器均衡方案得到優(yōu)化后，DUT-收端就一定能以 BER ≤10-12的條件工作。圖 9 顯示了測試裝置。BERT PPG 將注入干擾噪聲的信號(hào)發(fā)送到可變 ISI 板。可變 ISI 板的輸出連接到 CBB，CBB 模擬系統(tǒng)板在最壞情況下的性能。測試信號(hào)通過 CBB 傳播到 CEM 連接器，并沿著插卡向上到達(dá) DUT-接收端。注意，BERT PPG 通過參考時(shí)鐘對(duì)信號(hào)施加抖動(dòng)。DUT-發(fā)端的輸出發(fā)送到 BERT ED，BERT ED 既要測量 BER，又充當(dāng)參考接收器來訓(xùn)練鏈路。

圖 9：PCIe 5.0 CEM 插卡接收機(jī)鏈路均衡測試的設(shè)置。

6.1 壓力眼校準(zhǔn) 加壓信號(hào)校準(zhǔn)是一個(gè)迭代過程，涉及信號(hào)生成和示波器 CTLE 的優(yōu)化。每個(gè) BERT PPG preset 都必須進(jìn)行加壓信號(hào)校準(zhǔn)，并且每組 FFE tap 必須符合規(guī)范。校準(zhǔn)的目的是配置一個(gè)最差 ISI 的信號(hào)，它具有最小的均衡后的 EH12（BER = 1E-12 時(shí)的眼高）和 EW12（BER = 1E-12 時(shí) 的眼寬），如表 3 所示。既然信號(hào)是用于發(fā)到 CEM 連接器上，因此必須在校準(zhǔn)過程中模擬最壞情況下的插卡損耗。為了最大程度地增加對(duì)均衡方案的壓力，應(yīng)按特定順序評(píng)估信號(hào)減損。為了達(dá)到期望的 EH12 和 EW12，需要為信號(hào)增加所需水平的 RJ 以及允許范圍內(nèi)的損耗、SJ、DMI 和 CMI，具體可參見表 3。

表 3：為達(dá)到期望的 EH12 和 EW12，可以添加到信號(hào)中的 RJ、SJ 和 DMI 范圍

圖 10a 所示為抖動(dòng)和噪聲校準(zhǔn)裝置。在這一步中，我們確定最壞情況下的 RJ、SJ 和 DMI 組合。 步驟 1：為校準(zhǔn)最壞情況下的抖動(dòng)，將 BERT PPG 連接到示波器輸入，并確認(rèn) PPG 應(yīng)用了表 3 中所需水平的 rms RJ 和最大允許 SJ 幅度。步驟 2：為校準(zhǔn) DMI 和 CMI，將 BERT PPG 輸出連接到可變 ISI 測試板的最高損耗（最長）通道，即“兼容 37 dB”信道。將幅度為 5 至 30 mV、頻率 2.1 GHz 的正弦 DMI 和 CMI 通過測試板傳輸?shù)绞静ㄆ鳌Ｓ捎谠撔诺涝?2.1 GHz 頻率下約有 6 dB 的 損耗，因此 BERT PPG 輸出端的干擾幅度將與傳遞給 CBB 的信號(hào)的幅度不同。

圖 10：校準(zhǔn)裝置，(a) 抖動(dòng)和干擾校準(zhǔn)，以及 (b) 初始預(yù)設(shè)/CTLE 校準(zhǔn)。

步驟 3：下一步是應(yīng)用最大 ISI，并為每個(gè)參考發(fā)端 preset 優(yōu)化示波器 CTLE。如圖 10b 所示，BERT PPG 輸出被發(fā)送到到可變 ISI 板上最壞情況下的 37 dB 信道。可變 ISI 板的輸出連接到 CBB。CBB 的輸出連接到可變 ISI 板的 9 dB 損耗信道，以模擬最壞情況下的插卡損耗。9 dB 信道輸出連接到示波器輸入。或者， 示波器可以嵌入插卡損耗。測量 EH12 和 EW12。如果任意一個(gè)值小于允許的最小值，請(qǐng)嘗試可變 ISI 板上的另一條通道。不斷嘗試，直到確定能夠得 到高于指定最低值的最小 EH12 和 EW12 組合的 ISI 通道。步驟 4：確定最佳的 BERT PPG 預(yù)設(shè)和相應(yīng)的 CTLE 增益。對(duì)于每個(gè) preset，示波器應(yīng)捕獲至少五個(gè)重復(fù)波形。示波器應(yīng)能夠自動(dòng)確 定最佳的 CTLE 增益。當(dāng)預(yù)設(shè)加上對(duì)應(yīng)的最佳 CTLE 增益能夠得到最大 EH12 和 EW12，就稱為最佳預(yù)設(shè)。步驟 5：得到最佳 preset 和 CTLE 增益組合后，如步驟 3 所述，增加可變 ISI 板上的信道損耗，直到找到 EH12 和 EW12 都超過 各自指定最低值的最小組合。現(xiàn)在重新優(yōu)化均衡方案。到目前為止，我們得到了具有最大損耗、最佳 FFE 預(yù)設(shè)和 CTLE 增益的信號(hào)。步驟 6：增加 DMI、CMI 和 SJ，直到 EH12 和 EW12 盡可能接近最小值。很快就會(huì)完成目標(biāo)壓力眼的校準(zhǔn)。 6.2 接收端鏈路均衡 BER 測試 一旦配置了 BERT PPG 參考發(fā)射機(jī)，并以最壞情況下的壓力和經(jīng)過優(yōu)化的 FFE 進(jìn)行了校準(zhǔn)，收端鏈路均衡測試就相對(duì)容易了。測試裝置如圖 9 所示。 DUT-SerDes 遵循第 4 部分中所述的 LTSSM，DUT-收端檢測來自 BERT PPG 的發(fā)送信號(hào)，進(jìn)入回送模式。一旦進(jìn)入回環(huán)模式，DUT-發(fā)端就會(huì)請(qǐng)求 BERT PPG 的 FFE 預(yù)設(shè)。DUT 通過 LTSSM 工作，在嘗試不同的 BERT PPG FFE 預(yù) 設(shè)時(shí)，通過修改其接收器均衡方案來優(yōu)化鏈路均衡。BERT ED 在整個(gè)過程中監(jiān)視 BER，BER 測試本身需要大約一分鐘的時(shí)間，足夠 PCIe 5.0 系統(tǒng)傳輸 2 x 10 12 比特的數(shù)據(jù)。由 于 PCIe 5.0 指定收端的性能而不指定均衡技術(shù)，因此最終預(yù)設(shè)可能與校準(zhǔn)期間獲得的預(yù)設(shè)不同。如果 BER <10-12，則 DUT 符合 PCIe 5.0（圖 11）。

圖 11：Anritsu MP1900A 顯示的 PCIe 5.0 接收器鏈路均衡 BER 測試結(jié)果。

6.3 調(diào)試收端鏈路均衡 識(shí)別 LTSSM 狀態(tài)之間的過渡以及過渡時(shí)間的能力有助于識(shí)別 DUT 故障點(diǎn)。Anritsu MP1900A BERT 會(huì)記錄 DUT 與 BERT 參考發(fā)端之間的協(xié)商過程。如果 DUT 在接收鏈路均衡測試中的任何步驟發(fā)生故障，可以分析 LTSSM 鏈路訓(xùn)鏈日志以確定故 障原因。

#07

發(fā)端 PLL 帶寬測試

PCIe 5.0 發(fā)端以 100 MHz 參考時(shí)鐘 (RefClck) 工作，鎖相環(huán) (PLL) 用于計(jì)算參考時(shí)鐘與數(shù)據(jù)速率的乘積，串行器使用數(shù)據(jù)速率時(shí)鐘將較低速率的數(shù)據(jù)加載到符合 PCIe 的高速串行數(shù)據(jù)信號(hào)。 PLL 帶寬測試可測量 DUT-發(fā)端的抖動(dòng)傳遞函數(shù)；也就是進(jìn)入發(fā)射信號(hào)的參考時(shí)鐘抖動(dòng)。PLL 帶寬測試可驗(yàn)證卡 PLL 帶寬和峰值是否在允許的范圍內(nèi)，并且是否符合 CEM 插卡規(guī)格要求。 DUT-收端的 -3 dB 的滾降特性必須在指定的頻率范圍內(nèi)，并且不會(huì)超過峰值。發(fā)端的 PLL 和收端的時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù) (CDR) 電 路之間存在互補(bǔ)關(guān)系。由于收端在其 CDR 帶寬以下的頻率具有較強(qiáng)的抗抖動(dòng)性，而在 CDR 帶寬以上的頻率容易受到抖動(dòng) 影響，因此發(fā)端的 PLL 必須濾掉高頻抖動(dòng)，才能使系統(tǒng)以所需的 BER 運(yùn)行。 該測試使用 BERT 子速率時(shí)鐘輸出將 SJ 應(yīng)用于 DUT 參考時(shí)鐘。其思路是在跨越指定 PLL 衰減頻率的頻率上應(yīng)用校準(zhǔn)后的 SJ 幅度，并測量每個(gè)頻率下 DUT-發(fā)射器的輸出抖動(dòng)。示波器用于校準(zhǔn) PLL 滾降頻率范圍內(nèi)的 Sj 的幅度（圖 12）。

圖 12：PLL 帶寬測試校準(zhǔn)裝置。

測試裝置如圖 13 所示。抖動(dòng)的子速率時(shí)鐘連接到 CBB 上的 PCI 參考時(shí)鐘輸，DUT-發(fā)端輸出連接到示波器。

圖 13：發(fā)端 PLL 帶寬測試設(shè)置

示波器針對(duì)所施加 SJ 的每個(gè)頻率測量輸出周期抖動(dòng) (PJ) 幅度。PCIe 5.0 規(guī)定了發(fā)生-3dB 滾降的允許頻率范圍以及峰值抖 動(dòng)幅度的允許范圍（圖 14）。

圖 14：發(fā)端 PLL 抖動(dòng)傳函的結(jié)果。

#08

接收機(jī)抖動(dòng)容限測試 (JTOL)

抖動(dòng)容限測試 (JTOL) 是接收機(jī)端對(duì)發(fā)端 PLL 帶寬測試的補(bǔ)充。PCIe 5.0 規(guī)范中沒有 JTOL 要求，但 JTOL 是評(píng)估接收端容忍不同幅度和頻率抖動(dòng)的能力的有效方法。 壓力信號(hào)是最壞的情況，但也是符合標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)，引入了 ISI、RJ、DMI 和 CMI。可以按照第 6 節(jié)“收端鏈路均衡測試”中所 述進(jìn)行校準(zhǔn)，再結(jié)合 BERT PPG preset 和示波器參考接收器 CTLE 增益的優(yōu)化組合。作為一種調(diào)試方法或性能冗余度分析，JTOL 可以使用任何均衡方案進(jìn)行測試，根據(jù)圖 15 所示的幅頻模板將 SJ 添加到信號(hào)中。

圖 15：JTOL SJ 模板。

高幅度抖動(dòng)應(yīng)用于低頻，而低幅度抖動(dòng)應(yīng)用于高頻。從 1 MHz 到 10 MHz 的滾降特性遵循指定的 CDR 頻響特性。對(duì)于所有幅頻對(duì)，DUT-收端均應(yīng)遵守 BER <10-12（圖 16）。為了使測量保持在合理的時(shí)間長度，BER 通常最多測量到 BER <10- 6，并對(duì) BER 概率的斜率推算來確保 BER <10-12。

圖 16：來自 Anritsu MP1900A 的自動(dòng)化 JTOL 測試結(jié)果。

#09

BASE 規(guī)范符合性測試

以上，我們的討論重點(diǎn)是根據(jù) PCIe 5.0 CEM 規(guī)范進(jìn)行插卡測試，CEM 測試是 BASE 規(guī)范測試的超集。 要符合 BASE 規(guī)范，要求進(jìn)行嚴(yán)格的接收機(jī)容限測試，但不需要任何鏈路均衡測試。第 6.1 節(jié)中所述的等效校準(zhǔn)程序是必須要執(zhí)行的，CEM 測試點(diǎn)是 BASE 板插卡連接器，BASE 測試點(diǎn)是在 DUT-SerDes 的引腳上。 PCI-SIG 提供了用于 BASE SerDes 測試的測試板。分線板有兩個(gè)信道，一個(gè)通道用于 DUT，另一個(gè)通道用于校準(zhǔn) DUT-收端引腳上的加壓信號(hào)。圖 17 顯示了校準(zhǔn)和測試裝置。在加壓條件下，DUT-收端必須工作在 BER ≤10-12 的情況下。

圖 17：PCIe 5.0 BASE 加壓接收器容限測試裝置：(a) 校準(zhǔn)和 (b) BER 測試。

#10

所需的測試設(shè)備功能

10.1 示波器

示波器的最低要求如下：

實(shí)時(shí)采樣帶寬 > 50 GHz 為了進(jìn)行發(fā)端信號(hào)評(píng)估和壓力眼接收容限測試校準(zhǔn)，示波器還必須支持 PCI-SIG 測試軟件分析工具。特別是：

眼圖和抖動(dòng)分析

自動(dòng)化測試夾具解嵌

PCIe PHY 邏輯子層協(xié)議解碼

自動(dòng)化鏈路均衡測試 正如鏈路均衡測試描述中所討論的那樣，此功能將示波器的定義擴(kuò)展到協(xié)議分析器領(lǐng)域。

10.2 BERT（誤碼率測試儀）

BERT 的最低要求如下：

多個(gè)以 32 Gb/s 速度運(yùn)行的 NRZ 碼型產(chǎn)生和誤碼分析通道。

Anritsu MP1900A SQA-R 最多可提供 16 個(gè) NRZ 信道，每個(gè)通道的速率可在 2.4 到 32.1 Gb/s 范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，或最多支 持 8 個(gè) 64GB/s 速率的 PAM4 信道。由于 PCIe 5.0 最多允許 16 個(gè)通道，因此 MP1900A 可一次性支持所有 SERDES的通道測試。MP1900A 支持 64 Gb/s（32 GBd）PAM4 信道，意味著符合 PCIe 6 規(guī)范要求。

低固有抖動(dòng)和快速上升/下降時(shí)間。

Anritsu 在信號(hào)完整性方面始終領(lǐng)先競爭對(duì)手。MP1900A SQA-R PPG 通常具有 115 fs rms 的抖動(dòng)和 12 ps 的上升/下 降時(shí)間（20%-80％）。

能夠應(yīng)用 3-tap FFE 的碼型發(fā)生器。

MP1900A 能提供多達(dá) 10 階的 FFE，每階可在-20 到+20 dB 之間調(diào)節(jié)。

集成了 CTLE 和 CDR 的誤碼分析儀。

MP1900A 誤碼分析儀集成了可調(diào)范圍超過 12 dB 的 CDR 和 CTLE。

具有 PCIe 物理邏輯子層的協(xié)議感知能力，能夠響應(yīng)并啟動(dòng) LTSSM 命令。

可應(yīng)用所有要求的校準(zhǔn)抖動(dòng)和噪聲水平的 PPG。

Anritsu MP1900A SQA-R 可以產(chǎn)生所有要求的信號(hào)（圖 18），此外，還支持超出 PCIe 5.0 規(guī)范要求的幅度范圍。

? RJ，幅度范圍 0-0.5 UIpp，覆蓋 10 kHz-1 GHz 的帶寬。 ? SJ，幅度范圍 0-2000 UI，對(duì)應(yīng)調(diào)制頻率范圍 10 kHz-100 kHz，幅度范圍 0-1 UI，對(duì)應(yīng)調(diào)制頻率范圍 10 MHz-250 MHz。 ? 第二個(gè) SJ 頻率為 33 kHz、87 MHz、100 MHz 和 210 MHz。 ? 擴(kuò)頻時(shí)鐘 (SSC)，調(diào)制頻率為 28 kHz-37 kHz，幅度為 0-7000 ppm。? 具有所有標(biāo)準(zhǔn) PRBSn 模式的有界不相關(guān)抖動(dòng) (BUJ)。? 半周期偶奇抖動(dòng) (EOJ)。? 帶寬為 10 kHz-1 GHz 的外部抖動(dòng)輸入。 ? 在 2 GHz-10 GHz 頻率范圍內(nèi)的正弦 DMI。 ? 在 0.1 GHz-6 GHz 頻率范圍內(nèi)的正弦 CMI。 ? 帶寬為 10 GHz 且波峰因數(shù)大于 5 的白噪聲 ? 內(nèi)部可變 ISI 高達(dá) 30-32 dB。

圖 18：Anritsu MP1900A PPG 不同情況下的信號(hào)屏幕截圖

Anritsu MP1900A SQA-R 擁有行業(yè)領(lǐng)先的硬件性能和廣泛的功能集，是適用于 SerDes、光收發(fā)模塊、有源光纜和高速互連 的合規(guī)性測試和調(diào)試分析的理想精密測試儀器，符合多種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：PCIe 5.0 可擴(kuò)展到 PCIe 6.0、Thunderbolt 3、USB 3.1 Gen 1/2、IEEE 100/200/400 千兆以太網(wǎng)、OIF-CEI 3 和 4、Infiniband EDR/HDR 和 FibreChannel。

內(nèi)容來源：Anritsu

審核編輯 黃宇