>>> 一致性測試的由來和什么是一致性測試？
英文單詞Compliance, 廣泛用于各行業(yè)，用在電子行業(yè)顧名思義就是合乎規(guī)范。一致性測試作為產(chǎn)業(yè)界工程師們耳熟能詳?shù)拿~，已經(jīng)深入人心十幾年了。
物理層一致性測試最初發(fā)軔于USB2.0標(biāo)準(zhǔn)，由USB-IF協(xié)會和業(yè)界巨擎Intel公司推廣普及。由于采用USB2.0標(biāo)準(zhǔn)的主機(Host)及設(shè)備(Device)和集線器(Hub)數(shù)量暴增，需要解決各設(shè)備之間的物理層和協(xié)議層的兼容性和分歧，因此制定了一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化的衡量方法來評估各設(shè)備的信號質(zhì)量。一致性測試類似黑盒測試，通常只關(guān)注設(shè)備外部接口處的信號質(zhì)量。通過協(xié)會認(rèn)可的一致性測試，可以打上對應(yīng)的Logo。今天一致性測試已經(jīng)廣泛被各大標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議會組織采納，比如HDMI，DisplayPort，USB3.x，SATA/SAS，PCIExpress，ThunderBolt等。
業(yè)界另外一大組織IEEE相應(yīng)地后來在10/100/1000BaseT的測試上也引入了一致性測試的概念用于評估各設(shè)備的信號質(zhì)量。事實上無論如何滄海桑田，USB2.0和以太網(wǎng)是最成功和經(jīng)久不衰的兩個接口和通訊標(biāo)準(zhǔn)。即使在近幾年IEEE發(fā)表的最新的200G/400G標(biāo)準(zhǔn)中也定義了類似的測試方法。 在此，筆者給出一個粗淺的定義：業(yè)界廣泛接受的用同一把尺子來衡量產(chǎn)品的信號質(zhì)量是否符合標(biāo)準(zhǔn)的測試的統(tǒng)稱，其依據(jù)就是各個標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)會組織定義的一致性測試規(guī)范CTS(Compliance Test Specification)。通過對產(chǎn)品進行一致性測試，除了了解產(chǎn)品是否符合標(biāo)準(zhǔn)測試規(guī)范外，還可以量化信號的各指標(biāo)距離CTS的裕量。如果裕量充分，則意味著可以對產(chǎn)品進行降成本設(shè)計，反之則需要重新設(shè)計。對于系統(tǒng)廠家，在快速變化的市場和殘酷激烈的競爭面前，降低產(chǎn)品成本是生存的法寶。對于上游芯片廠家而言，基于其芯片的系統(tǒng)經(jīng)過一致性測試如果可以顯示出有非常高的裕量，則可以表明其產(chǎn)品的性能，為其下游客戶的產(chǎn)品設(shè)計和開發(fā)提供了充分的信心和裕量以供進行降成本設(shè)計。因此一致性測試對于整個行業(yè)而言其重要性不言而明。
近年來隨著數(shù)字技術(shù)和芯片集成技術(shù)的發(fā)展，電子電路調(diào)試(Debug)在電子產(chǎn)品開發(fā)工作中占比越來越小，而一致性測試作為產(chǎn)品最終出貨前的一環(huán)日益重要也事實成為示波器重要的用途。
 
>>>  一致性測試的含義或要素
一致性測試如此重要，那么其含義是什么或者說前面給出的定義同一把尺子包含哪些要素?
1.   統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)的測試信號
這個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)的測試信號，英文名稱是CompliancePattern。從USB2.0開始Intel專門針對PC系統(tǒng)開發(fā)了一個軟件發(fā)包工具(USBHSETTool)發(fā)出各種信號，比如測試眼圖的TestPacket等。發(fā)展到今天支持USB3.x標(biāo)準(zhǔn)的被測設(shè)備在上電后發(fā)出IN包如果未檢測到ACK包，即進入Compliance測試模式，發(fā)出各種CompliancePattern. PCIExpress標(biāo)準(zhǔn)的原理類似。也有特例比如顯示技術(shù)HDMI就不太一樣，Sink設(shè)備一般無高速信號回傳給源端，因此需要采用外接EDIDEmulator來欺騙源端設(shè)備已經(jīng)外接某一格式的Sink設(shè)備，源端設(shè)備就會開始輸出信號。而DisplayPort標(biāo)準(zhǔn)和SATA標(biāo)準(zhǔn)通常需要修改寄存器配置測試碼型。有的標(biāo)準(zhǔn)還支持通過外接控制器用軟件進行自動化配置測試碼型以配合一致性測試，比如Unigraf公司開發(fā)的DP測試控制器和Wilder公司開發(fā)的Thunderbolt控制器。
為什么會定義統(tǒng)一的測試信號呢?因為采用不同的碼型進行測試，得出的測量結(jié)果也是不一樣的。比如采用0101碼型和采用00110011碼型，得到的ISI抖動肯定是有差異的。所以為了統(tǒng)一和規(guī)范測量，協(xié)會和標(biāo)準(zhǔn)組織定義了標(biāo)準(zhǔn)的測試碼型。當(dāng)前最典型的是USB3.1標(biāo)準(zhǔn)定義了多種分別用于不同測試項目的碼型：

以上黃色標(biāo)注的碼型CP13-CP16,是USB3.1規(guī)范里新增加用于測試發(fā)送端預(yù)/去加重或均衡的碼型：

 
2.  標(biāo)準(zhǔn)的連接方式，通常為夾具和電纜組合
另外為了統(tǒng)一測試環(huán)境，協(xié)會和標(biāo)準(zhǔn)組織還定義了標(biāo)準(zhǔn)的連接方式，通常采用協(xié)會或第三方公司開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)夾具和電纜。夾具和電纜通常都是為了方便測試連接而引入的部件，必然會引入測試誤差，降低系統(tǒng)的測試裕量。因此在一致性測試過程中，必須要求采用相同的測試工具以標(biāo)準(zhǔn)化測量避免測試差異。
在當(dāng)下主流的各種標(biāo)準(zhǔn)中，除了USB3.x和PCIE夾具依然主要是由Intel主導(dǎo)的USB-IF和PCI-Sig協(xié)會組織提供外，其它各種標(biāo)準(zhǔn)的夾具Wilder公司均可提供。
在測試連接上，HDMI標(biāo)準(zhǔn)由于最初需要接入3對Data，1對CLK同時進行測試，采用了夾具   連接SMA探頭再連接到示波器上進行測試，以實現(xiàn)一次完成所有差分項目的測試。
在標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范定義中，一般會定義若干測試點，比如USB2.0規(guī)范里定義了TP1,TP2,TP3,TP4.TP2是典型的Host測試點位置，而TP3則是典型的Device設(shè)備的測試點位置。不同的標(biāo)準(zhǔn)定義的測試點含義不同，比如到USB3.x標(biāo)準(zhǔn)則主要定義了TP1--發(fā)送端測試的遠端測試點，而TP0通常指發(fā)送端近端測試點僅在示波器的測試軟件里作為Informative測試：

 
近兩年在信號速率持續(xù)推高到5Gbps以上后，通常在測試點上還引入了TPxEQ測試點，比如DP1.4標(biāo)準(zhǔn)中，定義的測試點就是TP3_EQ，這個測試點通常表征的是接收系統(tǒng)里經(jīng)過均衡算法后的測試點，而實際測試中通常是無法探測得到的，需要在示波器上的一致性測試軟件里模擬接收端的均衡算法：  
3.  標(biāo)準(zhǔn)的測試算法和流程
被測設(shè)備發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)的測試碼型并通過夾具和電纜連接到示波器后，示波器作為接收端，模擬芯片接收端的信號處理方法對信號進行測試和分析，除了常規(guī)的針對信號的電氣特性參數(shù)測量外，通常還要執(zhí)行眼圖和抖動分析。本文提到的標(biāo)準(zhǔn)測試算法在早年主要指時鐘恢復(fù)和眼圖與抖動分析方法，比較簡單。近幾年在高速串行總線系統(tǒng)普遍引入和嵌入和均衡等技術(shù)，信號分析算法程度大大提高。
典型的外部接口標(biāo)準(zhǔn)如USB3.x/HDMI2.x/DP1.4均需要測試遠端眼圖，在實際連接中采用的是在被測設(shè)備近端即發(fā)送端用夾具拾取信號然后嵌入標(biāo)準(zhǔn)提供的電纜參數(shù)模型模擬真實的傳輸電纜，此有損電纜參數(shù)模型給信號帶來很大的衰減，在接收端必須采用均衡算法(CTLE/FFE+DFE)恢復(fù)信號。示波器上運行的一致性測試軟件則會完全嵌入接收端的標(biāo)準(zhǔn)均衡算法恢復(fù)信號然后進行各參數(shù)分析和眼圖與抖動測試。以DP1.4標(biāo)準(zhǔn)為例：
可見，在今天的高速信號測試中，一致性測試軟件的地位和作用日益重要。一致性測試軟件除了執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的測試算法進行分析并給出測試結(jié)果外，有時還可以進行一些配置的改變以進行調(diào)試性測試，即修改一些測試配置參數(shù)和選項，稱之為Debug Mode。
一致性測試軟件在測試完畢后會將所有測試結(jié)果整理輸出成為報告，在報告中會專門標(biāo)注每個測試項目的裕量水平，比如下表所示Keysight Thunderbolt N6470B測試報告，綠色方框內(nèi)分三列顯示測量值，裕量及Pass/Fail判斷：                       
事實上，今天Server,PC和筆記本行業(yè)的很多接口標(biāo)準(zhǔn)比如PCIE，SATA,USB3.x等，業(yè)界主導(dǎo)公司Intel還開發(fā)了專門的測試軟件Sigtest可以進行數(shù)據(jù)后分析。在Sigtest軟件里會針對不同的標(biāo)準(zhǔn)不同的測試點定義一些不同的測試腳本文件(在Sigtest安裝文件夾的Template文件夾里)。標(biāo)準(zhǔn)的一致性測試軟件中通常也可以調(diào)用Sigtest程序里的DLL(動態(tài)鏈接庫)文件執(zhí)行此行業(yè)內(nèi)主導(dǎo)公司的標(biāo)準(zhǔn)算法測試。
囿于篇幅和標(biāo)準(zhǔn)的多樣性及水平有限，本文這里就不再對測試算法做深入探討和描述。
 
4.  影響一致性測試精度的因素
前面我們描述了一致性測試的含義與本質(zhì)，一致性測試到底在追求什么？歸根結(jié)底是裕量(Margin)。其本質(zhì)或者最終的動機就是降成本。
對于系統(tǒng)廠家而言，在產(chǎn)品設(shè)計完成后如果經(jīng)過一致性測試，發(fā)現(xiàn)信號質(zhì)量距離CTS規(guī)范規(guī)定的要求有較大的裕量，那就意味著可以對產(chǎn)品進行降成本設(shè)計，比如可以減少電容，或者采用更廉價的連接器乃至降低PCB層數(shù)等，所有的每一個看起來很小的降成本考慮，在規(guī)?；拇笈可a(chǎn)時都會被放大，從而帶來可觀的經(jīng)濟效益。當(dāng)然降成本設(shè)計也不是無底線的，底線就是CTS，所以業(yè)界有很多廠家有時會反復(fù)對產(chǎn)品進行設(shè)計和測試以找到最終的平衡點，示波器在這個過程中就在扮演重要的角色。對于芯片或產(chǎn)業(yè)鏈上游廠家而言，在產(chǎn)品設(shè)計完成后也需要進行參考設(shè)計并做一致性測試驗證以提交報告給下游廠家，以證明其產(chǎn)品的高品質(zhì)和大裕量并給予其客戶足夠的信心以進行降成本設(shè)計。 
測試測量過程必然會帶來誤差，那么如何將誤差降到最小或得到最高的Margin？除了我們前面討論的3點，確保進行正確的一致性測試外，就必須要從儀器設(shè)備方面考慮。
首先是要選擇恰當(dāng)?shù)氖静ㄆ?，示波器的一些指?biāo)如帶寬，采樣率，底噪和抖動等均會影響一致性測試的裕量。關(guān)于帶寬是很多人都比較耳熟能詳?shù)闹笜?biāo)，經(jīng)常提到的選擇正弦波3-5被帶寬以及方波9倍頻率的帶寬等，針對一般的高速串行總線數(shù)據(jù)(NRZ編碼)過去主要采用一種速算法：信號頻率/2*5，比如5GBps的NRZ信號，基波頻率為2.5GHz，采用2.5GHz*5=12.5GHz以上即可。
另外更加準(zhǔn)確的是根據(jù)被測信號的上升沿時間計算帶寬，通常為20%-80%上升沿時間，信號頻率Bw=0.4/Tr，推薦的示波器帶寬再乘以1.4～1.8左右的系數(shù)即可。帶寬不能滿足測試要求會直接削減信號的幅度從而直接影響到眼高幅度和上升沿的準(zhǔn)確測試。
近年隨著技術(shù)的發(fā)展去嵌和均衡的引入，這一規(guī)則也在改變。比如針對PCIE4.0 16.0Gbps，為了防止去嵌過度放大儀器的本底噪聲，因此在PCIE4.0規(guī)范里給出的推薦的CTLE和去嵌的截止帶寬頻率是20GHz：  
另一方面針對RX測試時的信號源校準(zhǔn)為了確保精確校準(zhǔn)誤碼儀輸出的信號的邊沿，在規(guī)范里推薦了25GHz帶寬的示波器進行測試:

兩者兼顧，在CEM測試中針對PCIE4.0推薦的帶寬就是25GHz:                           




 
采樣率是示波器另外一個重要指標(biāo)。對今天的數(shù)字實時示波器而言，采樣率必須是示波器帶寬的2.5倍才能保證將信號準(zhǔn)確還原。雖然奈奎斯特采樣定理指出2倍采樣可將信號還原，但是奈奎斯特定理針對的信號是正弦波，而今天的被測信號多為高速數(shù)字信號。
另外兩個比較明顯的影響比較大的指標(biāo)是示波器的本底噪聲和抖動。示波器的固有抖動對眼圖測試時的影響也是類似的，必然會增加抖動類相關(guān)項目測試的誤差。由于均衡和去嵌均在信號垂直幅度方向?qū)π盘栠M行補償，疊加在固有抖動上的作用和影響需要進行嚴(yán)格的數(shù)學(xué)運算定量分析。對于還需要采用探頭進行測試的HDMI接口，探頭接入信號時由于其固有的衰減特性在對信號衰減后才會進入示波器的前端和ADC采樣，示波器會對信號再進行放大同時會放大本底噪聲，因此探頭的衰減倍數(shù)也是影響一致性測試精度和裕量的因素之一。關(guān)于示波器的本底噪聲對眼圖測試的影響可參見參考文獻《淺論示波器的低本底噪聲對高速眼圖測試的意義》。
 
>>> 一致性測試的發(fā)展趨勢
最后再來談?wù)勔恢滦詼y試的發(fā)展趨勢。作為產(chǎn)品出貨前的重要環(huán)節(jié)，一致性測試既然在今天的各種產(chǎn)品研發(fā)和制造中扮演著如此重要的作用，必然會帶來巨大的工作量和負(fù)擔(dān)。因此從最初的幾百MBps級的USB2.0和Ethernet 10/100/1000 BaseT到今天的幾十Gbps的高速串行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，一直在朝向更加簡單，更加標(biāo)準(zhǔn)化，更加自動化的方向發(fā)展，最終的宗旨和目的是為了降低測試復(fù)雜程度，提高生產(chǎn)效率。
更加簡單，主要體現(xiàn)在測試碼型的輸出上。如前文討論，從最初的需要專門的發(fā)包軟件或者改寄存器輸出測試信號到今天的內(nèi)置BIST(Built in Self-Test Pattern)測試碼型,目前在PCIEXpress和USB3.x上均已實現(xiàn)。在DisplayPort和Thunderbolt兩種標(biāo)準(zhǔn)上，則有第三方開發(fā)的專門的測試碼型控制器，比如Unigraf提供的DP控制器和Wilder公司提供的Thunderbolt控制器。
更加標(biāo)準(zhǔn)化，體現(xiàn)在測試連接的定義上。比如在USB3.0測試方法的定義上，最初定義采用通過協(xié)會認(rèn)可的實物電纜來模擬遠端測試點，但是后來由于實物電纜依然存在差異，因此后來采用S參數(shù)模型替代實物電纜，如此完全消除了不同連接環(huán)境的差異。這一方法今天在HDMI2.0/DP1.4也得到了應(yīng)用。在PCIE4.0規(guī)范里，也采用了類似的方法，不過不是軟件S參數(shù)模型而是采用由協(xié)會提供的一塊硬件的ISI夾具板來模擬整個鏈路，以CEM Add-in Card TX測試為例，專門設(shè)計了ISI夾具板用于模擬額外的標(biāo)準(zhǔn)20dB@8GHz損耗：  
這一硬件ISI夾具由PCI-Sig協(xié)會組織出售，具有唯一性和標(biāo)準(zhǔn)性。未來是否會采用軟件的S參數(shù)模型方法去實現(xiàn)，當(dāng)然也不排除這種可能性。
最后一個趨勢是，測試自動化的要求日益凸顯。由于多種標(biāo)準(zhǔn)和接口紛繁復(fù)雜，給消費者帶來許多使用上的困擾，同時也加劇了研發(fā)設(shè)計和測試的復(fù)雜性。因此產(chǎn)業(yè)界正在努力推廣采用唯一的Type-C接口，USB,DP,HDMI,Thunderbolt等標(biāo)準(zhǔn)均支持這一接口。Keysight公司洞悉這一趨勢推出了全自動化的針對Type-C接口的測試方案： 如上圖，采用N7015A Type-C夾具和N7018A控制器，配合交換矩陣，完成所有連接后，運行在示波器上的N7018A控制軟件會自動設(shè)置Type-C Alt Mode，切換Type-C接口為為USB,DP或TBT模式，N7018A控制器可以輸出LFPS信令，配置DUT發(fā)出USB3.x標(biāo)準(zhǔn)的測試碼型，針對Thunderbolt和DP則分別需要Wilder和Unigraf控制器配置測試碼型。被測信號從N7015A夾具連接到交換矩陣，然后再連接到示波器上，示波器會通過網(wǎng)口控制切換交換矩陣切換不同鏈路的信號到示波器上。如果需要測試不同的被測設(shè)備，也只需將設(shè)備連接到N7015夾具上即可。此方案完全實現(xiàn)了無人看守的全自動化測試，是目前業(yè)界非常全面的測試方案。
總結(jié)：
本文討論了發(fā)送端物理層一致性測試的含義，要素及目標(biāo)和趨勢，囿于篇幅無法就許多細節(jié)進行詳細說明。除了發(fā)送端之外，近幾年接收端的一致性測試隨著信號速率的飛速提升也開始成為各種標(biāo)準(zhǔn)必須考慮的測試內(nèi)容，請留意更多論述和分享。
 
參考文獻:
1.USB3.1 Spec and USB3.1 ECN CTLE, USB-IF
2. PHY CTS v1.4 source DRAFT_rev1, VESA org
3.01_06_PCIE Compliance Updates, PCI-Sig
4. NCB-PCI_Express_Base_4.0r1.0_September-27-2017-c, PCI-Sig
5.Keysight DP Test Solution
6.Keysight Type-C Solution
7. 淺論示波器的低本底噪聲對高速眼圖測試的意義，Keysight Technologies