原创 云计算硬件平台的测试文章连载（8）- PCIE3.0的发送端信号质量测试

      发送端信号质量测试的目的是验证被测件发送出的信号是否满足规范要求。这个测试主要是用宽带示波器捕获其发出的信号并验证其信号质量满足规范要求。按照目前目前规范中的要求，PCI-E 3.0的一致性测试需要至少13GHz带宽的示波器，并配合上相应的测试夹具和测试软件。之所以PCI-E 3.0测试需要的示波器带宽相对于PCI-E 2.0来说变化不大，是因为信号的上升时间基本没变，不过如果是出于调试的目的，一般建议最好使用16GHz或以上带宽的示波器进行测试。

      由于PCI-E 3代的信号经过传输以后信号幅度都已经衰减得很小（典型值是100mV左右），为了保证足够的测量精度，除了示波器的带宽要足够以外，还需要示波器有很低的底噪声才能保证测量的准确性和测量重复性。比如Keysight公司的高端的V或者Z系列示波器都可以用于PCI-E 3.0这样的高速信号的测试中。以V系列示波器来说，其带宽选择可从8GHz~33GHz，最高采样率80G/s，具有业内最低的底噪声和本底抖动。同时V系列示波器还可以选配高达20G/s的数字通道用于DDR3/4等总线的调试，或者选配高达160bit长度、12.5Gbps数据速率的硬件串行触发及误码检测功能，这是市面上唯一能对PCIE3.0 的128b/130b编码数据进行硬件触发和调试的示波器。

      在PCIE3.0的测试中，首先使用PCI-E协会提供的PCI-E 3代的夹具把被测信号引出（PCI-E 3代的夹具和PCI-E 2代一样分为CBB板和CLB板，CBB板用于插卡的测试，CLB板用于主板的测试），然后通过测试夹具上的切换开关控制DUT输出PCI-E 3代的一致性测试码型。在切换板上的按键开关时，正常的PCI-E 3代的被测件依次会输出2.5Gbps、5Gbps -3dB、5Gbps -6dB、8Gbps P0、8Gbps P1、8Gbps P2、8Gbps P3、8Gbps P4、8Gbps P5、8Gbps P6、8Gbps P7、8Gbps P8、8Gbps P9、8Gbps P10的码型。需要注意的一点是由于PCI-E 3代信号如前所述共有11种Preset值，测试过程中应明确当前测试的是哪一种Preset值，做信号质量测试常用的有Preset7、Preset8、Preset1、Preset0等。下图是PCI-E 3代的CBB板及一致性测试码型。

      另外，由于PCI-E 3代的标准里在接收芯片侧使用了信号均衡技术，而且均衡器对于最终信号质量的改善影响很大。为了把传输通道对信号的恶化以及均衡器对信号的改善效果都考虑进去，PCI-E 3代的测试里很重要的一点是其发送端眼图、抖动等测试的参考点是在接收端。也就是说，即使我们是在发送端进行测试，在进行眼图、抖动等测试时也不是直接测试发送端的波形，而是需要把传输通道对信号的恶化的影响以及均衡器对信号的改善影响都考虑进去。

      为了模拟出传输通道和芯片封装对信号的影响，测试中需要做传输通道参数的嵌入操作，即Embed。这个传输通道的模型是PCI-E协会以S参数文件的形式提供的，测试过程中需要示波器能把这个S参数文件的影响加到被测波形上。同时，测试过程中示波器是用两个通道分别连接信号的正负端，要得到最后的差分波形需要示波器对两个通道的波形做相减运算。如果波形相减和S参数嵌入的工作都由示波器软件计算，会大大影响测试速度，因此有些公司的高端示波器内部会有硬件的通道相减及S参数运算功能，可以大大提高测试的速度和效率。

      对测试数据做分析的方法有2种：一种是使用PCI-SIG提供的Sigtest软件做手动分析，一种是使用示波器厂商提供的自动测试软件。

      Sigtest软件是的算法由PCI-SIG免费提供，可以进行信号的眼图、模板、抖动的测试，但是需要用户手动捕获数据进行后分析，对于不熟练的测试人员容易可能由于设置不对造成测试结果的不一致，而且其测试项目有限，没有覆盖全部的信号要求。所以针对PCI-E 3.0的测试有些示波器厂商还提供了相应的自动化测试软件，比如Keysight公司的N5393D自动化测试软件。这个软件以图形化的界面指导用户完成设置、 连接和测试过程，除了可以自动进行示波器测量参数设置以及自动生成报告外，还提供了Swing、Preset、Common Mode等更多测试项目以，提高了测试的效率和可重复性。除此以外，这个软件在测试过程中还会对被测件发出的码型和速率进行检查，以确认测试使用的是规范要求的正确码型。另外，很重要的一点是，在N5393D软件里，使用的是和SigTest软件完全一样的分析算法，从而可以保证分析结果和SigTest软件的一致性。下图是N5393D软件的设置界面。

因此，简单来说，对于以前从事PCI-E 2.0的测试人员来说，进行PCI-E 3.0的测试除了需要重新购置PCI-E3.0的测试夹具CLB3和CBB3以外（其实原有的CLB2和CBB2等针对PCI-E2.0测试的夹具勉强也仍然可以用于PCI-E3.0的发送信号测试中），PCI-E 3.0的信号测试相对于PCI-E 2.0来说硬件设备的变化不大，基本使用13GHz或16GHz带宽的示波器就可以，但是测试软件对于测试数据的处理变得更加复杂了。数据分析时除了要嵌入传输通道和芯片封装的线路模型以外，还要把均衡器对信号的改善也考虑进去，好在无论是PCI-E协会提供的免费的Sigtest软件还是Keysight公司的N5393D自动测试软件都可以为PCI-E3.0的测试提供很好的帮助。

      此外，由于PCI-E总线上要测试的数据Lane的数量很多，虽然测试项目可以由软件自动完成，但是连接还是需要人工进行，因此每测试完一对差分线就需要测试人员来更改一下连接，非常麻烦。为了提高测试效率，可以把示波器配合相应的微波开关矩阵使用，微波开关矩阵可以在自动测试软件的控制下根据需要进行信号的切换。这样测试人员只需要一次把所有的被测信号都连接到开关矩阵上，然后运行测试软件就可以了。下图是在PCI-E的测试中配合开关矩阵使用的情况。