>>> 一致性測(cè)試的由來(lái)和什么是一致性測(cè)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(cè)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(cè)試最初發(fā)軔于USB2.0標(biāo)準(zhǔn)，由USB-IF協(xié)會(huì)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(jī)(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(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化的衡量方法來(lái)評(píng)估各設(shè)備的信號(hào)質(zhì)量。一致性測(cè)試類似黑盒測(cè)試，通常只關(guān)注設(shè)備外部接口處的信號(hào)質(zhì)量。通過(guò)協(xié)會(huì)認(rèn)可的一致性測(cè)試，可以打上對(duì)應(yīng)的Logo。今天一致性測(cè)試已經(jīng)廣泛被各大標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議會(huì)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(lái)在10/100/1000BaseT的測(cè)試上也引入了一致性測(cè)試的概念用于評(píng)估各設(shè)備的信號(hào)質(zhì)量。事實(shí)上無(wú)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(gè)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(cè)試方法。 在此，筆者給出一個(gè)粗淺的定義：業(yè)界廣泛接受的用同一把尺子來(lái)衡量產(chǎn)品的信號(hào)質(zhì)量是否符合標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試的統(tǒng)稱，其依據(jù)就是各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)會(huì)組織定義的一致性測(cè)試規(guī)范CTS(Compliance Test Specification)。通過(guò)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行一致性測(cè)試，除了了解產(chǎn)品是否符合標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試規(guī)范外，還可以量化信號(hào)的各指標(biāo)距離CTS的裕量。如果裕量充分，則意味著可以對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行降成本設(shè)計(jì)，反之則需要重新設(shè)計(jì)。對(duì)于系統(tǒng)廠家，在快速變化的市場(chǎng)和殘酷激烈的競(jìng)爭(zhēng)面前，降低產(chǎn)品成本是生存的法寶。對(duì)于上游芯片廠家而言，基于其芯片的系統(tǒng)經(jīng)過(guò)一致性測(cè)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(jì)和開(kāi)發(fā)提供了充分的信心和裕量以供進(jìn)行降成本設(shè)計(jì)。因此一致性測(cè)試對(duì)于整個(gè)行業(yè)而言其重要性不言而明。
近年來(lái)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(kāi)發(fā)工作中占比越來(lái)越小，而一致性測(cè)試作為產(chǎn)品最終出貨前的一環(huán)日益重要也事實(shí)成為示波器重要的用途。
 
>>>  一致性測(cè)試的含義或要素
一致性測(cè)試如此重要，那么其含義是什么或者說(shuō)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(cè)試信號(hào)
這個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試信號(hào)，英文名稱是CompliancePattern。從USB2.0開(kāi)始Intel專門(mén)針對(duì)PC系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了一個(gè)軟件發(fā)包工具(USBHSETTool)發(fā)出各種信號(hào)，比如測(cè)試眼圖的TestPacket等。發(fā)展到今天支持USB3.x標(biāo)準(zhǔn)的被測(cè)設(shè)備在上電后發(fā)出IN包如果未檢測(cè)到ACK包，即進(jìn)入Compliance測(cè)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(wú)高速信號(hào)回傳給源端，因此需要采用外接EDIDEmulator來(lái)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(huì)開(kāi)始輸出信號(hào)。而DisplayPort標(biāo)準(zhǔn)和SATA標(biāo)準(zhǔn)通常需要修改寄存器配置測(cè)試碼型。有的標(biāo)準(zhǔn)還支持通過(guò)外接控制器用軟件進(jìn)行自動(dòng)化配置測(cè)試碼型以配合一致性測(cè)試，比如Unigraf公司開(kāi)發(fā)的DP測(cè)試控制器和Wilder公司開(kāi)發(fā)的Thunderbolt控制器。
為什么會(huì)定義統(tǒng)一的測(cè)試信號(hào)呢?因?yàn)椴捎貌煌拇a型進(jìn)行測(cè)試，得出的測(cè)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(dòng)肯定是有差異的。所以為了統(tǒng)一和規(guī)范測(cè)量，協(xié)會(huì)和標(biāo)準(zhǔn)組織定義了標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)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(cè)試項(xiàng)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(cè)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(cè)試環(huán)境，協(xié)會(huì)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(huì)或第三方公司開(kāi)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(cè)試連接而引入的部件，必然會(huì)引入測(cè)試誤差，降低系統(tǒng)的測(cè)試裕量。因此在一致性測(cè)試過(guò)程中，必須要求采用相同的測(cè)試工具以標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)量避免測(cè)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(huì)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(cè)試連接上，HDMI標(biāo)準(zhǔn)由于最初需要接入3對(duì)Data，1對(duì)CLK同時(shí)進(jìn)行測(cè)試，采用了夾具   連接SMA探頭再連接到示波器上進(jìn)行測(cè)試，以實(shí)現(xiàn)一次完成所有差分項(xiàng)目的測(cè)試。
在標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范定義中，一般會(huì)定義若干測(cè)試點(diǎn)，比如USB2.0規(guī)范里定義了TP1,TP2,TP3,TP4.TP2是典型的Host測(cè)試點(diǎn)位置，而TP3則是典型的Device設(shè)備的測(cè)試點(diǎn)位置。不同的標(biāo)準(zhǔn)定義的測(cè)試點(diǎn)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(cè)試的遠(yuǎn)端測(cè)試點(diǎn)，而TP0通常指發(fā)送端近端測(cè)試點(diǎn)僅在示波器的測(cè)試軟件里作為Informative測(cè)試：

 
近兩年在信號(hào)速率持續(xù)推高到5Gbps以上后，通常在測(cè)試點(diǎn)上還引入了TPxEQ測(cè)試點(diǎn)，比如DP1.4標(biāo)準(zhǔn)中，定義的測(cè)試點(diǎn)就是TP3_EQ，這個(gè)測(cè)試點(diǎn)通常表征的是接收系統(tǒng)里經(jīng)過(guò)均衡算法后的測(cè)試點(diǎn)，而實(shí)際測(cè)試中通常是無(wú)法探測(cè)得到的，需要在示波器上的一致性測(cè)試軟件里模擬接收端的均衡算法：  
3.  標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試算法和流程
被測(cè)設(shè)備發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試碼型并通過(guò)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(hào)處理方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行測(cè)試和分析，除了常規(guī)的針對(duì)信號(hào)的電氣特性參數(shù)測(cè)量外，通常還要執(zhí)行眼圖和抖動(dòng)分析。本文提到的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試算法在早年主要指時(shí)鐘恢復(fù)和眼圖與抖動(dòng)分析方法，比較簡(jiǎn)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(hào)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(cè)試遠(yuǎn)端眼圖，在實(shí)際連接中采用的是在被測(cè)設(shè)備近端即發(fā)送端用夾具拾取信號(hào)然后嵌入標(biāo)準(zhǔn)提供的電纜參數(shù)模型模擬真實(shí)的傳輸電纜，此有損電纜參數(shù)模型給信號(hào)帶來(lái)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(hào)。示波器上運(yùn)行的一致性測(cè)試軟件則會(huì)完全嵌入接收端的標(biāo)準(zhǔn)均衡算法恢復(fù)信號(hào)然后進(jìn)行各參數(shù)分析和眼圖與抖動(dòng)測(cè)試。以DP1.4標(biāo)準(zhǔn)為例：
可見(jiàn)，在今天的高速信號(hào)測(cè)試中，一致性測(cè)試軟件的地位和作用日益重要。一致性測(cè)試軟件除了執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試算法進(jìn)行分析并給出測(cè)試結(jié)果外，有時(shí)還可以進(jìn)行一些配置的改變以進(jìn)行調(diào)試性測(cè)試，即修改一些測(cè)試配置參數(shù)和選項(xiàng)，稱之為Debug Mode。
一致性測(cè)試軟件在測(cè)試完畢后會(huì)將所有測(cè)試結(jié)果整理輸出成為報(bào)告，在報(bào)告中會(huì)專門(mén)標(biāo)注每個(gè)測(cè)試項(xiàng)目的裕量水平，比如下表所示Keysight Thunderbolt N6470B測(cè)試報(bào)告，綠色方框內(nèi)分三列顯示測(cè)量值，裕量及Pass/Fail判斷：                       
事實(shí)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(kāi)發(fā)了專門(mén)的測(cè)試軟件Sigtest可以進(jìn)行數(shù)據(jù)后分析。在Sigtest軟件里會(huì)針對(duì)不同的標(biāo)準(zhǔn)不同的測(cè)試點(diǎn)定義一些不同的測(cè)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(cè)試軟件中通常也可以調(diào)用Sigtest程序里的DLL(動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù))文件執(zhí)行此行業(yè)內(nèi)主導(dǎo)公司的標(biāo)準(zhǔn)算法測(cè)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(duì)測(cè)試算法做深入探討和描述。
 
4.  影響一致性測(cè)試精度的因素
前面我們描述了一致性測(cè)試的含義與本質(zhì)，一致性測(cè)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(dòng)機(jī)就是降成本。
對(duì)于系統(tǒng)廠家而言，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)完成后如果經(jīng)過(guò)一致性測(cè)試，發(fā)現(xiàn)信號(hào)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(duì)產(chǎn)品進(jìn)行降成本設(shè)計(jì)，比如可以減少電容，或者采用更廉價(jià)的連接器乃至降低PCB層數(shù)等，所有的每一個(gè)看起來(lái)很小的降成本考慮，在規(guī)?；拇笈可a(chǎn)時(shí)都會(huì)被放大，從而帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。當(dāng)然降成本設(shè)計(jì)也不是無(wú)底線的，底線就是CTS，所以業(yè)界有很多廠家有時(shí)會(huì)反復(fù)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)和測(cè)試以找到最終的平衡點(diǎn)，示波器在這個(gè)過(guò)程中就在扮演重要的角色。對(duì)于芯片或產(chǎn)業(yè)鏈上游廠家而言，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)完成后也需要進(jìn)行參考設(shè)計(jì)并做一致性測(cè)試驗(yàn)證以提交報(bào)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(jìn)行降成本設(shè)計(jì)。 
測(cè)試測(cè)量過(guò)程必然會(huì)帶來(lái)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(diǎn)，確保進(jìn)行正確的一致性測(cè)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(dòng)等均會(huì)影響一致性測(cè)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(duì)一般的高速串行總線數(shù)據(jù)(NRZ編碼)過(guò)去主要采用一種速算法：信號(hào)頻率/2*5，比如5GBps的NRZ信號(hào)，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(cè)信號(hào)的上升沿時(shí)間計(jì)算帶寬，通常為20%-80%上升沿時(shí)間，信號(hào)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(cè)試要求會(huì)直接削減信號(hào)的幅度從而直接影響到眼高幅度和上升沿的準(zhǔn)確測(cè)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(duì)PCIE4.0 16.0Gbps，為了防止去嵌過(guò)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(duì)RX測(cè)試時(shí)的信號(hào)源校準(zhǔn)為了確保精確校準(zhǔn)誤碼儀輸出的信號(hào)的邊沿，在規(guī)范里推薦了25GHz帶寬的示波器進(jìn)行測(cè)試:

兩者兼顧，在CEM測(cè)試中針對(duì)PCIE4.0推薦的帶寬就是25GHz:                           




 
采樣率是示波器另外一個(gè)重要指標(biāo)。對(duì)今天的數(shù)字實(shí)時(shí)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(hào)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(hào)還原，但是奈奎斯特定理針對(duì)的信號(hào)是正弦波，而今天的被測(cè)信號(hào)多為高速數(shù)字信號(hào)。
另外兩個(gè)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(dòng)。示波器的固有抖動(dòng)對(duì)眼圖測(cè)試時(shí)的影響也是類似的，必然會(huì)增加抖動(dòng)類相關(guān)項(xiàng)目測(cè)試的誤差。由于均衡和去嵌均在信號(hào)垂直幅度方向?qū)π盘?hào)進(jìn)行補(bǔ)償，疊加在固有抖動(dòng)上的作用和影響需要進(jìn)行嚴(yán)格的數(shù)學(xué)運(yùn)算定量分析。對(duì)于還需要采用探頭進(jìn)行測(cè)試的HDMI接口，探頭接入信號(hào)時(shí)由于其固有的衰減特性在對(duì)信號(hào)衰減后才會(huì)進(jìn)入示波器的前端和ADC采樣，示波器會(huì)對(duì)信號(hào)再進(jìn)行放大同時(shí)會(huì)放大本底噪聲，因此探頭的衰減倍數(shù)也是影響一致性測(cè)試精度和裕量的因素之一。關(guān)于示波器的本底噪聲對(duì)眼圖測(cè)試的影響可參見(jiàn)參考文獻(xiàn)《淺論示波器的低本底噪聲對(duì)高速眼圖測(cè)試的意義》。
 
>>> 一致性測(cè)試的發(fā)展趨勢(shì)
最后再來(lái)談?wù)勔恢滦詼y(cè)試的發(fā)展趨勢(shì)。作為產(chǎn)品出貨前的重要環(huán)節(jié)，一致性測(cè)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(huì)帶來(lái)巨大的工作量和負(fù)擔(dān)。因此從最初的幾百M(fèi)Bps級(jí)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(jiǎn)單，更加標(biāo)準(zhǔn)化，更加自動(dòng)化的方向發(fā)展，最終的宗旨和目的是為了降低測(cè)試復(fù)雜程度，提高生產(chǎn)效率。
更加簡(jiǎn)單，主要體現(xiàn)在測(cè)試碼型的輸出上。如前文討論，從最初的需要專門(mén)的發(fā)包軟件或者改寄存器輸出測(cè)試信號(hào)到今天的內(nèi)置BIST(Built in Self-Test Pattern)測(cè)試碼型,目前在PCIEXpress和USB3.x上均已實(shí)現(xiàn)。在DisplayPort和Thunderbolt兩種標(biāo)準(zhǔn)上，則有第三方開(kāi)發(fā)的專門(mén)的測(cè)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(cè)試連接的定義上。比如在USB3.0測(cè)試方法的定義上，最初定義采用通過(guò)協(xié)會(huì)認(rèn)可的實(shí)物電纜來(lái)模擬遠(yuǎn)端測(cè)試點(diǎn)，但是后來(lái)由于實(shí)物電纜依然存在差異，因此后來(lái)采用S參數(shù)模型替代實(shí)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(guò)不是軟件S參數(shù)模型而是采用由協(xié)會(huì)提供的一塊硬件的ISI夾具板來(lái)模擬整個(gè)鏈路，以CEM Add-in Card TX測(cè)試為例，專門(mén)設(shè)計(jì)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(huì)組織出售，具有唯一性和標(biāo)準(zhǔn)性。未來(lái)是否會(huì)采用軟件的S參數(shù)模型方法去實(shí)現(xiàn)，當(dāng)然也不排除這種可能性。
最后一個(gè)趨勢(shì)是，測(cè)試自動(dòng)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(fèi)者帶來(lái)許多使用上的困擾，同時(shí)也加劇了研發(fā)設(shè)計(jì)和測(cè)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(shì)推出了全自動(dòng)化的針對(duì)Type-C接口的測(cè)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(yùn)行在示波器上的N7018A控制軟件會(huì)自動(dòng)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(cè)試碼型，針對(duì)Thunderbolt和DP則分別需要Wilder和Unigraf控制器配置測(cè)試碼型。被測(cè)信號(hào)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(huì)通過(guò)網(wǎng)口控制切換交換矩陣切換不同鏈路的信號(hào)到示波器上。如果需要測(cè)試不同的被測(cè)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(shí)現(xiàn)了無(wú)人看守的全自動(dòng)化測(cè)試，是目前業(yè)界非常全面的測(cè)試方案。
總結(jié)：
本文討論了發(fā)送端物理層一致性測(cè)試的含義，要素及目標(biāo)和趨勢(shì)，囿于篇幅無(wú)法就許多細(xì)節(jié)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。除了發(fā)送端之外，近幾年接收端的一致性測(cè)試隨著信號(hào)速率的飛速提升也開(kāi)始成為各種標(biāo)準(zhǔn)必須考慮的測(cè)試內(nèi)容，請(qǐng)留意更多論述和分享。
 
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