利用(yòng)IBERT IP核实現(xiàn)GTX收(shōu)發(fà)器硬(yìng)件(jiàn)誤碼率测試实例

 利用(yòng)IBERT IP核实現(xiàn)GTX收(shōu)發(fà)器硬(yìng)件(jiàn)誤碼率测試实例

作者(zhě)：潘文(wén)明(míng)

1. 引言

Vivado中(zhōng)提(tí)供了(le)1種(zhǒng)IBERT工具用(yòng)于(yú)对(duì)Xilinx FPGA芯片(piàn)的(de)高(gāo)速串行收(shōu)發(fà)器進(jìn)行板級硬(yìng)件(jiàn)测試。通(tòng)过(guò)IBERT我(wǒ)们(men)可(kě)以(yǐ)獲取(qǔ)誤碼率，观察眼(yǎn)图(tú)，調节(jié)串行收(shōu)發(fà)器的(de)參數，從而(ér)有(yǒu)助于(yú)判斷可(kě)能(néng)存在(zài)的(de)問(wèn)題(tí)，便于(yú)验(yàn)證硬(yìng)件(jiàn)的(de)稳定(dìng)性(xìng)和(hé)信(xìn)号(hào)完整性(xìng)。本(běn)测試实例教程使用(yòng)IBERT工具对(duì)與(yǔ)SFP連(lián)接的(de)GTX進(jìn)行5 Gbps速率下(xià)的(de)测試。從誤碼率和(hé)眼(yǎn)图(tú)两(liǎng)个(gè)角(jiǎo)度(dù)来(lái)验(yàn)證電(diàn)路(lù)板GTX部(bù)分(fēn)工作的(de)稳定(dìng)性(xìng)和(hé)可(kě)靠性(xìng)。本(běn)测試实例基于(yú)Vivado 2019.1版本(běn)開(kāi)發(fà)。

本(běn)测試实例是(shì)在(zài)購買(mǎi)的(de)明(míng)德揚(MDY) K7核心(xīn)板上(shàng)進(jìn)行的(de)，这(zhè)款核心(xīn)板能(néng)够方(fāng)便二(èr)次(cì)開(kāi)發(fà)利用(yòng)。在(zài)FPGA 芯片(piàn)的(de)HP 端口(kǒu)上(shàng)挂载了(le)4片(piàn)DDR3存儲芯片(piàn)，每片(piàn)DDR3 容量(liàng)512 MB 字(zì)节(jié)，組成(chéng)64bit 位的(de)數據(jù)位宽(kuān)。4个(gè)板对(duì)板連(lián)接器擴展(zhǎn)出(chū)了(le)276个(gè)IO，全(quán)部(bù)IO的(de)電(diàn)平可(kě)以(yǐ)通(tòng)过(guò)更(gèng)換核心(xīn)板上(shàng)的(de)磁珠(zhū)来(lái)修改，滿足用(yòng)戶对(duì)+3.3V、+2.5V、+1.5V電(diàn)平接口(kǒu)的(de)需求，另(lìng)外(wài)也(yě)擴展(zhǎn)出(chū)了(le)16对(duì)高(gāo)速收(shōu)發(fà)器GTX接口(kǒu)。供電(diàn)範圍大，5-12V電(diàn)壓均可(kě)。通(tòng)过(guò)手(shǒu)册了(le)解(jiě)到(dào)同(tóng)一(yī)个(gè)BANK管(guǎn)脚到(dào)連(lián)接器接口(kǒu)之間(jiān)走(zǒu)線(xiàn)做了(le)等长和(hé)差分(fēn)处理。該核心(xīn)板的(de)結構示意(yì)图(tú)如(rú)图(tú)1。

图(tú)1 該核心(xīn)板結構示意(yì)图(tú)

2. 测試原理

IBERT中(zhōng)的(de)BERT是(shì)Bit Error Ratio Test的(de)縮写，指比特(tè)出(chū)錯概率测試，簡而(ér)言之就(jiù)是(shì)誤碼率测試。誤碼率（Bit Error Rate，BER）作为(wèi)高(gāo)速數據(jù)傳輸技術(shù)中(zhōng)的(de)重(zhòng)要(yào)指标(biāo)，它(tā)代(dài)表(biǎo)了(le)數據(jù)傳輸的(de)可(kě)靠性(xìng)。对(duì)于(yú)數字(zì)通(tòng)信(xìn)系(xì)統，BER可(kě)以(yǐ)定(dìng)義为(wèi)出(chū)現(xiàn)錯誤碼的(de)估計(jì)概率。这(zhè)意(yì)味着任何通(tòng)过(guò)系(xì)統傳輸的(de)比特(tè)都可(kě)能(néng)被(bèi)錯誤地(dì)接收(shōu)。因(yīn)此(cǐ)，發(fà)送的(de)“1”接收(shōu)到(dào)为(wèi)“0”，或(huò)傳輸为(wèi)“0”被(bèi)接收(shōu)到(dào)的(de)为(wèi)“1”。在(zài)实際测試中(zhōng)，誤碼率是(shì)通(tòng)过(guò)系(xì)統傳輸一(yī)定(dìng)比特(tè)的(de)比特(tè)數和(hé)計(jì)算接收(shōu)到(dào)的(de)不(bù)正(zhèng)确的(de)比特(tè)數来(lái)测量(liàng)的(de)。誤碼率是(shì)接收(shōu)到(dào)的(de)錯誤比特(tè)數與(yǔ)傳輸的(de)總(zǒng)比特(tè)數之比。利用(yòng)累積分(fēn)布(bù)函(hán)數定(dìng)義置信(xìn)系(xì)數SLC（Statistical Level of Confidence）：

式中(zhōng)，N为(wèi)傳輸中(zhōng)發(fà)生(shēng)錯誤的(de)比特(tè)數，n为(wèi)傳輸的(de)總(zǒng)的(de)比特(tè)數，p = 10^-12，通(tòng)过(guò)置信(xìn)系(xì)數得到(dào)在(zài)傳輸n bit後(hòu)誤碼率为(wèi)：

式中(zhōng)，BER 傳輸n bit發(fà)生(shēng)錯誤概率，ln[.]是(shì)自(zì)然对(duì)數。當沒(méi)有(yǒu)檢测到(dào)錯誤（N = 0）时(shí)，式5.7中(zhōng)的(de)第(dì)二(èr)項等于(yú)零(líng)，方(fāng)程的(de)求解(jiě)得到(dào)了(le)很大的(de)簡化(huà)。

首先(xiān)对(duì)明(míng)德揚Xilinx K7核心(xīn)板光(guāng)纤接口(kǒu)進(jìn)行了(le)誤碼率。Vivado中(zhōng)IBERT工具的(de)测試原理是(shì)通(tòng)过(guò)收(shōu)發(fà)器由(yóu)外(wài)部(bù)回(huí)环(huán)進(jìn)行自(zì)收(shōu)自(zì)發(fà)而(ér)实現(xiàn)。就(jiù)是(shì)将同(tóng)一(yī)組收(shōu)發(fà)器的(de)TX和(hé)RX進(jìn)行短(duǎn)接，TX發(fà)送端通(tòng)过(guò)發(fà)送某種(zhǒng)特(tè)定(dìng)序列的(de)數據(jù)流，在(zài)RX接收(shōu)端接收(shōu)後(hòu)，通(tòng)过(guò)比对(duì)發(fà)送和(hé)接收(shōu)的(de)數據(jù)，從而(ér)得出(chū)接收(shōu)端誤碼的(de)統計(jì)值。将光(guāng)模块(kuài)插入(rù)SFP屏蔽笼內(nèi)，然後(hòu)通(tòng)过(guò)單根(gēn)光(guāng)纤将光(guāng)模块(kuài)的(de)TX和(hé)RX短(duǎn)接，便可(kě)以(yǐ)通(tòng)过(guò)IBERT工具对(duì)GTX進(jìn)行测試。

3. QUAD(GTX BANK)、CHANNEL、GTX間(jiān)的(de)關(guān)系(xì)

首先(xiān)可(kě)以(yǐ)從图(tú)2中(zhōng)看(kàn)到(dào)XC7K325T中(zhōng)共(gòng)有(yǒu)16个(gè)GTX，每4个(gè)GTX組成(chéng)一(yī)个(gè)Bank，稱为(wèi)Quad，即XC7K325T芯片(piàn)共(gòng)有(yǒu)4个(gè)Quad。

图(tú)2 Kintex-7 FPGA(XC7K325T)GTX結構图(tú)

如(rú)图(tú)3所(suǒ)示，具體(tǐ)看(kàn)Quad布(bù)局(jú)图(tú)，可(kě)以(yǐ)看(kàn)到(dào)一(yī)个(gè)Quad包(bāo)含4个(gè)GTX_channel（簡稱GTX或(huò)channel）和(hé)一(yī)个(gè)QPLL。

图(tú)3 Quad布(bù)局(jú)图(tú)  

所(suǒ)以(yǐ)Kintex-7 FPGA(XC7K325T)中(zhōng)quad、channel、GTX相互關(guān)系(xì)如(rú)图(tú)4所(suǒ)示。1个(gè)Quad中(zhōng)有(yǒu)2个(gè)參考时(shí)鐘(zhōng)（REFCLK0,REFCLK1），根(gēn)據(jù)板卡(kǎ)設計(jì)图(tú)可(kě)知具體(tǐ)使用(yòng)REFCLK0還(huán)是(shì)REFCLK1，參考时(shí)鐘(zhōng)頻率應(yìng)根(gēn)據(jù)核心(xīn)板实際晶振頻率来(lái)選擇。

图(tú)4 quad、channel、gtx相互關(guān)系(xì)

4. 测試結果(guǒ)

通(tòng)过(guò)新建IP核工程，为(wèi)IBERT協議配置定(dìng)義界面(miàn)，IP核有(yǒu)一(yī)些預置的(de)協議，如(rú)收(shōu)發(fà)器線(xiàn)速率選擇，位宽(kuān)選擇，收(shōu)發(fà)器參考时(shí)鐘(zhōng)来(lái)源和(hé)頻率等。本(běn)設計(jì)SFP+来(lái)自(zì)Quad116，參考时(shí)鐘(zhōng)来(lái)自(zì)MGTREFCLK1_116。本(běn)設計(jì)将GTX收(shōu)發(fà)器參考輸入(rù)时(shí)鐘(zhōng)作为(wèi)其系(xì)統时(shí)鐘(zhōng)。之後(hòu)例化(huà)，生(shēng)成(chéng)bit流文(wén)件(jiàn)，完成(chéng)FPGA配置文(wén)件(jiàn)生(shēng)成(chéng)。按照测試原理，我(wǒ)们(men)将SFP+的(de)光(guāng)纤模块(kuài)的(de)TX和(hé)RX短(duǎn)接，如(rú)图(tú)5所(suǒ)示。連(lián)接好(hǎo)硬(yìng)件(jiàn)，将bit文(wén)件(jiàn)下(xià)载到(dào)硬(yìng)件(jiàn)電(diàn)路(lù)板。

图(tú)5 硬(yìng)件(jiàn)实物(wù)图(tú)與(yǔ)連(lián)接

選擇需要(yào)查看(kàn)眼(yǎn)图(tú)的(de)鍊(liàn)路(lù)，眼(yǎn)图(tú)參數可(kě)以(yǐ)使用(yòng)默認參數，收(shōu)發(fà)器眼(yǎn)图(tú)测試結果(guǒ)如(rú)图(tú)6所(suǒ)示。

图(tú)6 测試收(shōu)發(fà)器眼(yǎn)图(tú)

利用(yòng)單根(gēn)光(guāng)纤将光(guāng)模块(kuài)輸入(rù)輸出(chū)短(duǎn)接進(jìn)行回(huí)环(huán)测試，使用(yòng)IBERT IP核测試，通(tòng)过(guò)Xilinx下(xià)载器将數據(jù)读(dú)出(chū)。回(huí)环(huán)测試序列使用(yòng)PRBS-31。每2小时(shí)記(jì)录(lù)一(yī)次(cì)數據(jù)，總(zǒng)共(gòng)测試48小时(shí)。测試結果(guǒ)如(rú)图(tú)7所(suǒ)示，橫坐标(biāo)为(wèi)时(shí)間(jiān)，連(lián)續運行48小时(shí)後(hòu)，縱坐标(biāo)为(wèi)誤碼率，光(guāng)纤通(tòng)信(xìn)誤碼率为(wèi)2 × 10^-15，速率稳定(dìng)在(zài)5 Gbps，除去(qù)編碼開(kāi)銷实際速率为(wèi)4 Gbps，滿足一(yī)般的(de)速率需求。

图(tú)7 誤碼率测試

5. 總(zǒng)結

通(tòng)过(guò)环(huán)回(huí)方(fāng)式的(de)誤碼率测試，可(kě)判斷出(chū)存在(zài)的(de)問(wèn)題(tí)以(yǐ)及(jí)测試出(chū)板卡(kǎ)实際支持(chí)的(de)速率。IBERT可(kě)在(zài)運行过(guò)程中(zhōng)設置高(gāo)速串行收(shōu)發(fà)通(tòng)道(dào)的(de)各(gè)項參數，并提(tí)供了(le)多(duō)種(zhǒng)环(huán)回(huí)模式及(jí)多(duō)種(zhǒng)测試激勵源，并可(kě)通(tòng)过(guò)自(zì)動(dòng)掃描测試，确定(dìng)收(shōu)發(fà)的(de)最(zuì)佳參數。可(kě)以(yǐ)滿足硬(yìng)件(jiàn)测試时(shí)对(duì)高(gāo)速串行收(shōu)發(fà)通(tòng)道(dào)信(xìn)号(hào)测試的(de)大部(bù)分(fēn)需求，在(zài)故障定(dìng)位等场合均可(kě)使用(yòng)。

温(wēn)馨提(tí)示：明(míng)德揚除了(le)培訓学習還(huán)有(yǒu)項目承接業务，擅长的(de)項目主(zhǔ)要(yào)包(bāo)括的(de)方(fāng)向(xiàng)有(yǒu)以(yǐ)下(xià)幾(jǐ)个(gè)方(fāng)面(miàn)：

1. MIPI視頻拼接

2. SLVS-EC轉(zhuǎn)MIPI接口(kǒu)(IMX472 IMX492)

3. PCIE采集系(xì)統

4. 图(tú)像項目

5. 高(gāo)速多(duō)通(tòng)道(dào)ADDA系(xì)統

6. 基于(yú)FPGA板卡(kǎ)研發(fà)

7. 多(duō)通(tòng)道(dào)高(gāo)靈敏電(diàn)荷放(fàng)大器

8.射頻前(qián)端

需要(yào)了(le)解(jiě)相關(guān)信(xìn)息可(kě)以(yǐ)聯系(xì)：江老(lǎo)师(shī)18022859964（微信(xìn)同(tóng)号(hào)）