串行总线的常用测试码型发生器原理及实现方法

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