高速FPGA系统的信号完整性测试和分析

传统高性能示波器设计构架采用将高速采集前端（多达80颗ADC）和高速内存在物理上用一颗SOC芯片实现，由于有太多功能在一个芯片内部实现，导致片内高速内存容量的限制（在20GS/s下小于1M），无论是对于高速串行数据的眼图测试还是对于时钟信号的抖动测试，都存在很大的限制，并且日后无法对内存扩展升级。

为了弥补这种设计结构的缺陷，这类示波器会采用在芯片外部添加低速存储器弥补片内高速内存的限制，但外部存储器不能在高采样率下工作，一般只能提供2GS/s，样点间隔500ps，由于绝大多数信号边沿速度都在皮秒级，2GS/s无法在信号边沿采集足够样点，甚至出现会出现混叠，所以它无法提供有意义的眼图和抖动测试结果。

泰克TDS6154C高速实时示波器采用硅锗（SiGe）半导体集成采集前端，并使用独立的高速存储器，这样就不受内存长度的限制，并且它同时支持最大采样率和存储长度。

4. 抖动、噪声和BER测试和分析

针对FPGA中不断增长的串行数据传输速率，设计人员不仅进行眼图测试，还需要一套先进的测试和分析工具帮助他们更好地理解和改善他们设计方案的信号完整性。

针对FPGA提供的各种高速串行信号，传统的采样示波器配合抖动分析软件针对FPGA中的高速串行信号能够进行抖动的测试，测试结果的分离，后期的抖动原因的定位和分析，以及水平时间分量上的BER分析。但是，对于导致BER的另一个主要原因，即串行信号中的噪声分量，没有一个彻底的测试和分析方法。图4显示了对于一个高速串行信号的抖动分量和噪声分量影响BER的过程。

图4 抖动分量和噪声分量的分解

从事FPGA器件的设计和应用，以及背板的设计和制造的公司在开发基于超高速串行数据标准的产品时需要最高精度的抖动分析，噪声分析以及完整的BER眼图信息。泰克CSA/TDS8200系列采样示波器 （Sampling Oscilloscope）测试眼图时，除了传统的眼图和抖动测试外，泰克80SJNB抖动和噪声分析软件提供了对于设计人员和调试人员更有价值的抖动、噪声、BER分析功能。

80SJNB不仅能够得到高精度的眼图测试结果，还能够通过分隔抖动和噪声，加快了识别水平和垂直眼图闭合原因的速度。由于它能够以独特的视角查看抖动和噪声的构成成分，80SJNB可以高度精确全面地推断BER及分析眼图轮廓。在把抖动、噪声和BER分析与8000系列的模块化灵活性、完善的性能和信号保真度结合在一起时，您可以获得理想的下一代高速串行数据设计检验和一致性测试解决方案。下表列出了80SJNB软件配合泰克CSA/TDS8200系列示波器得到的抖动和噪声分析结果。

80SJNB软件除了能够得到每一个抖动和噪声分量的精确结果，针对设计和测试人员还提供了各种图形显示进行更细致的信号完整性分析。例如，抖动和噪声成分概率分布, 频谱分布, 数据相关抖动和噪声与位的关系, 数据码型波形, 抖动和噪声浴缸曲线, BER概率图, BER轮廓图, 概率分布眼图。图5是得到的分析结果。

图5 80SJNB软件得到的分析结果

5. 高速并行总线的眼图测试

对于FPGA芯片提供的高速并行总线，由于其数据传送方式并没有采用内嵌时钟的方法，时钟可以作为触发信号，观测多路并行总线的眼图。由于并行总线的通道数比较多，在示波器中手工测试多通道的眼图比较繁琐，有些传统逻辑分析仪虽然能够直接进行并行总线的眼图测试，但无论是测试精度和速度都无法和示波器进行的标准眼图测试相提并论。

除了能够通过FPGAView对简化FPGA的在线调试，TLA逻辑分析仪能够配合TDS示波器对FPGA外部信号自动进行多通道的眼图测试和分析，该功能称为iVerify眼图测试，最多可以自动的测试408个通道的眼图。

泰克为逻辑分析仪和示波器集成提供了一个信号完整性测试工具包，称为iLink工具包，分为iConnect，iView，以及iVerify眼图测试三个工具。iVerify是建立在iConnect技术和iView技术的基础上，它能够自动对多路并行总线进行眼图测试来彻底验证被测信号。结合iConnect技术，使用一套逻辑分析仪有源探头进行信号逻辑和模拟的同时观测，逻辑分析仪可以将被测通道分成多组，每一组3个数据通道送入到示波器中进行眼图测试，示波器的第4个通道作为外部时钟；采用iView技术，逻辑分析仪可以自动的将每一次送入示波器的3个数据信号的眼图测试数据会传到逻辑分析仪中，这样逻辑分析仪就可以再选择另外一组3个通道进行测试，对于复杂的高速总线，可以一次测试408个数据通道。最后，iVerify技术通过逻辑分析仪将最多408个数据信号的眼图测试数据叠加显示出来，彻底验证总线中出现的信号完整性问题。图6是在TLA逻辑分析仪上自动累计的多个通道眼图数据的色温显示。