摘  要： 高速背板是構(gòu)建高性能數(shù)據(jù)平臺(tái)的關(guān)鍵部件,。目前熱門的100G網(wǎng)絡(luò)上單對(duì)差分線的數(shù)據(jù)速率已達(dá)到了25 Gb/s甚至更高。無論采用OIF組織制定的CEI-25G-LR背板規(guī)范還是IEEE組織制定的100GBase-KR4背板規(guī)范，面臨的共同挑戰(zhàn)是如何在這么高速率下提供背板應(yīng)用場合需要的傳輸距離,。當(dāng)背板加工完成以后,，需要進(jìn)行一系列插入損耗、回波損耗,、阻抗,、串?dāng)_、信號(hào)傳輸眼圖,、傳輸誤碼率等,，在系統(tǒng)調(diào)試階段還需要對(duì)子卡發(fā)送的信號(hào)進(jìn)行驗(yàn)證以排除可能的信號(hào)質(zhì)量問題。本文對(duì)于100 Gb/s背板開發(fā)中可能遇到的挑戰(zhàn)以及相應(yīng)的測試方法進(jìn)行了詳細(xì)的介紹和講解,。

　　關(guān)鍵詞： 100G,；背板；CEI,；100GBase-KR4

　　隨著云計(jì)算和大數(shù)據(jù)概念的普及,，人們對(duì)于數(shù)據(jù)中心的容量和數(shù)據(jù)交換速度提出了越來越高的要求，比如典型的Tbit交換機(jī)已經(jīng)可以在一個(gè)機(jī)架內(nèi)部提供10 Tb/s以上的數(shù)據(jù)交換能力,。對(duì)于高速的數(shù)據(jù)交換設(shè)備來說,，通常采用插卡式的機(jī)構(gòu)來提高數(shù)據(jù)處理和傳輸能力，而內(nèi)部各個(gè)板卡間有效的數(shù)據(jù)交換則有賴于高速的傳輸背板,。在光背板技術(shù)還沒有完全成熟的今天,，電信號(hào)的傳輸技術(shù)仍然是主流的背板實(shí)施方案。典型的背板會(huì)采用20層以上的PCB疊層結(jié)構(gòu)并承載上千對(duì)的高速差分走線,。為了在有限的空間內(nèi)提供更高速的數(shù)據(jù)交換能力,，一個(gè)有效的方法就是提高每對(duì)差分線上的數(shù)據(jù)傳輸速率。

1 高速背板的演進(jìn)

　　早期的背板采用千兆以太網(wǎng),、PCIE等作為數(shù)據(jù)交換的接口,，每對(duì)差分線上的數(shù)據(jù)傳輸速率為1 G~

　　5 Gb/s。為了增加背板的傳輸能力,，IEEE組織在2007年制定了802.3ap的背板以太網(wǎng)規(guī)范,。在其中的10GBase-KR標(biāo)準(zhǔn)中，通過發(fā)送端復(fù)雜的預(yù)加重及接收端均衡器設(shè)置,，可以只用一對(duì)差分線就實(shí)現(xiàn)10.3125 Gb/s信號(hào)傳輸,。

　　為了提升背板的傳輸能力，OIF(Optical Internetworking Forum)組織于2011年發(fā)布了CEI（Common Electrical I/O）3.0的規(guī)范,，其中的CEI-25G-LR（Long Range）標(biāo)準(zhǔn)是關(guān)于高速背板的互連規(guī)范,。這個(gè)規(guī)范允許信號(hào)以19.9～25.8 Gb/s的速率傳輸27 inch的距離，當(dāng)使用4對(duì)差分線同時(shí)傳輸時(shí)可以實(shí)現(xiàn)100 Gb/s左右的數(shù)據(jù)傳輸速率,。

　　類似的,，IEEE組織也在2014年發(fā)布了802.3bj標(biāo)準(zhǔn),，并定義了100GBASE-KR4的背板以太網(wǎng)接口規(guī)范。這個(gè)接口允許在單對(duì)差分線上傳輸25.78 Gb/s的數(shù)據(jù)速率,，同樣的4對(duì)差分線一起就可以提供100 Gb/s的以太網(wǎng)傳輸能力,。關(guān)于更多802.3bj背板的模型參數(shù)可以從這里下載：http://www.ieee802.org/3/100GCU/public/channel.html。

2 100G背板的測試

　　對(duì)于100G背板的設(shè)計(jì)和測試人員來說,，最大的挑戰(zhàn)在于單對(duì)差分線上的信號(hào)速率已經(jīng)高達(dá)25 Gb/s左右,，而且經(jīng)過兩個(gè)子卡連接器后還要能在背板上傳輸27 inch或40 inch的距離。即使可以采用損耗更小的射頻板材(如Panasonic Megtron 6或者Rogers RO4350B板材)和高性能的連接器(如Molex的 ImpactTM系列,，TE的STRADA Whisper系列),，要嚴(yán)格控制傳輸通道的損耗和阻抗連續(xù)性仍然是個(gè)很大的挑戰(zhàn)。

　　對(duì)于高速背板的設(shè)計(jì)和測試人員來說,，要確保設(shè)計(jì)的背板可以可靠地應(yīng)用于100 Gb/s（4×25 Gb/s）的信號(hào)傳輸場合，需要進(jìn)行以下項(xiàng)目的測試：

　　(1)背板的插入損耗,、回波損耗,、阻抗、串?dāng)_的測試,；

　　(2)背板傳輸眼圖和誤碼率測試,；

　　(3)發(fā)送端信號(hào)質(zhì)量的測試。

　　下面將對(duì)各測試項(xiàng)目進(jìn)行詳細(xì)介紹,。

　　2.1 背板的插入損耗,、回波損耗、阻抗,、串?dāng)_的測試

　　對(duì)于大的背板來說,，相距最遠(yuǎn)的兩個(gè)連接器間的PCB走線距離可能超過20 inch以上，這時(shí)候高頻電信號(hào)的損耗會(huì)非常大,。為了控制背板的損耗,，OIF和IEEE的規(guī)范里對(duì)于背板的損耗都有嚴(yán)格的要求。

　　要對(duì)背板的插入損耗等頻域參數(shù)進(jìn)行測試,，最常用的工具就是矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA,，Vector Network Analyzer）。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀由于覆蓋頻率高,，測試精度和重復(fù)性好,，測試功能多，是射頻微波領(lǐng)域進(jìn)行器件測試最常用的工具,。近些年人們開始把矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀用于高速數(shù)字信號(hào)完整性分析及建模領(lǐng)域,，并取得了豐碩成果。如今矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀已經(jīng)和高速示波器,、誤碼儀等一起成為每個(gè)高速信號(hào)完整性實(shí)驗(yàn)室的必備工具,。圖1是借助于相應(yīng)的測試夾具對(duì)一塊高速背板進(jìn)行測試的例子,。

　　背板參數(shù)的測試結(jié)果通常用S參數(shù)來描述。對(duì)于一對(duì)差分的傳輸線來說,，其4個(gè)端口相互之間一共有16個(gè)單端的S參數(shù),。分析時(shí)為了方便，會(huì)把這16個(gè)單端的S參數(shù)通過矩陣運(yùn)算轉(zhuǎn)換為對(duì)差分線來說更有意義的16個(gè)差分的S參數(shù),。這16個(gè)S參數(shù)完整地描述了這對(duì)差分線的插入損耗,、回波損耗、共模輻射,、抗共模輻射能力等各方面的特性,，比如說SDD21參數(shù)就反映了差分線的插入損耗特性,、SDD11參數(shù)就反映其回波損耗特性,。

　　多個(gè)端口間復(fù)雜的信號(hào)反射、傳輸,、串?dāng)_等S參數(shù)測試需要用到多端口的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀,。圖2是用Keysight公司的PLTS物理層測試系統(tǒng)控制多端口矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)一段27英寸背板走線進(jìn)行測試得到的4個(gè)差分S參數(shù)結(jié)果,，其中包括了正向插入損耗SDD21、反向插入損耗SDD12,、正向回波損耗SDD11以及反向的回波損耗SDD22,。

　　除了S參數(shù)的測試，也可以通過反FFT變換,，把S參數(shù)變換到時(shí)域得到被測件的時(shí)域傳輸曲線,，比如被測件的TDR(Time Domain Reflection，時(shí)域反射)曲線,。圖3是根據(jù)矢網(wǎng)測試到的參數(shù)計(jì)算得到的一段17 inch背板走線的阻抗變化曲線,，這條曲線直觀反映了被測件上的阻抗變化情況。

　　除了單一線對(duì)上的插入損耗,、回波損耗以及阻抗的測試以外,，由于背板上傳輸線的數(shù)量很多，密度很高,，線對(duì)間的串?dāng)_在高頻的情況下也比較嚴(yán)重,。串?dāng)_分為近端串?dāng)_(NEXT：Near-end Crosstalk)和遠(yuǎn)端串?dāng)_(FEXT：Far-end Crosstalk)，近端串?dāng)_指的是對(duì)同側(cè)其他差分對(duì)的干擾,，而遠(yuǎn)端串?dāng)_指的是對(duì)另一側(cè)其他差分對(duì)的干擾,。串?dāng)_的測試通常需要更多端口的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。比如一對(duì)差分線的測試占用4個(gè)端口,，兩對(duì)差分線間的串?dāng)_測試就需要用到8個(gè)端口,。使用更多端口的矢網(wǎng)做串?dāng)_測試是最方便的，因?yàn)樵跍y試軟件的控制下可以很快完成多對(duì)差分線間的NEXT和FEXT測試,。如果出于成本的考慮,，也可以僅用4個(gè)端口來實(shí)現(xiàn)串?dāng)_測試,，這時(shí)需要把沒有連接矢網(wǎng)的端口用負(fù)載進(jìn)行端接，這樣做的缺點(diǎn)是測試中需要多次手動(dòng)更改電纜和負(fù)載的連接,。

　　串?dāng)_的產(chǎn)生很多是由于差分線的不對(duì)稱以及連接器,、過孔處的信號(hào)輻射造成的，因此改善串?dāng)_需要盡量保證走線的對(duì)稱性以及關(guān)鍵器件的良好屏蔽,。

　　2.2 背板傳輸眼圖和誤碼率測試

　　S參數(shù)和阻抗等信息已經(jīng)可以幫助設(shè)計(jì)人員對(duì)背板的性能參數(shù)有了深入的了解,，但是這些參數(shù)還不太直觀。比如頻域參數(shù)和阻抗偏差對(duì)于最終的信號(hào)質(zhì)量的影響究竟有多大是很多數(shù)字工程師比較關(guān)心的,，這就需要通過觀察實(shí)際信號(hào)的傳輸情況來了解背板的質(zhì)量,。

　　OIF組織的大量關(guān)于25G背板的仿真分析互操作性實(shí)驗(yàn)表明：通過采用優(yōu)良的PCB板材、連接器,，并在發(fā)送端進(jìn)行合適的預(yù)加重設(shè)置,，是有可能在接收端得到一個(gè)將近張開的眼圖的（眼高大約30 mV左右）。如果背板設(shè)計(jì)達(dá)到了這個(gè)目的,，那么通過接收芯片里的均衡器可以進(jìn)一步改善信號(hào)從而得到更好的眼圖質(zhì)量,。(參考資料：OIFCEI25LRovervihttp：//grouper.ieee.org/groups/802/3/100GCU/)。

　　因此,，要進(jìn)行背板的的傳輸信號(hào)能力的測試，首先需要一臺(tái)高性能的帶多階預(yù)加重能力的信號(hào)發(fā)生器,，用于在背板的一端產(chǎn)生高速的串行信號(hào),，然后在另一端用高帶寬的示波器對(duì)傳輸過來的信號(hào)進(jìn)行測試。圖4是用Keysight公司的N4960A高速串行誤碼儀和DSA90000X系列高帶寬示波器進(jìn)行背板傳輸眼圖質(zhì)量測試的例子,。N4960A誤碼儀的N4951B-D32數(shù)據(jù)發(fā)送模塊可以提供高達(dá)32 Gb/s的帶5階預(yù)加重的信號(hào),；而DSA-90000X系列示波器可以提供32 GHz的實(shí)時(shí)測量帶寬和80 G/s的采樣率，如果需要更高測量帶寬,，還可以使用更高帶寬的Z系列實(shí)時(shí)示波器或者DCA-X系列采樣示波器,。

　　很多支持25G背板傳輸?shù)男酒贾С种辽偃A以上的預(yù)加重設(shè)置。預(yù)加重技術(shù)對(duì)信號(hào)改善的效果取決于預(yù)加重的幅度的大小和階數(shù),。預(yù)加重參數(shù)的設(shè)置需要和該信號(hào)傳輸通道的損耗特性相匹配才能得到比較好的信號(hào)改善效果,，如果補(bǔ)償過頭，得到的眼圖有可能會(huì)比不使用相關(guān)技術(shù)時(shí)更加惡劣,。為了幫助設(shè)計(jì)人員更好地調(diào)整預(yù)加重系數(shù),，N4960A的控制軟件里還提供了自動(dòng)的計(jì)算工具。在這個(gè)工具里,，測試人員可以導(dǎo)入通道的S參數(shù)文件,，并根據(jù)插損數(shù)據(jù)自動(dòng)計(jì)算最合適的預(yù)加重系數(shù)，這大大簡化了預(yù)加重調(diào)整帶來的困擾,。

　　如果背板設(shè)計(jì)的插損曲線比較平滑,，預(yù)加重對(duì)于線路損耗的補(bǔ)償效果會(huì)比較好,。因此背板設(shè)計(jì)中除了要控制插損以外，對(duì)于阻抗的連續(xù)性要求也比較高,，以保證插損曲線盡可能平滑,。

　　進(jìn)一步地，很多用戶還希望借助于誤碼儀測試一下背板的實(shí)際傳輸誤碼率,。真實(shí)的誤碼率測試應(yīng)該在串?dāng)_存在的情況下進(jìn)行測試,，而且由于實(shí)際情況下多對(duì)差分線上的信號(hào)不一定有明確的相位關(guān)系，所以在進(jìn)行誤碼率測試時(shí)一定要在相鄰的其他通道上加上相位不相關(guān)的串?dāng)_信號(hào),。

　　2.3 發(fā)送端信號(hào)質(zhì)量的測試

　　當(dāng)進(jìn)行完背板的S參數(shù)及傳輸能力的測試后,，可以說對(duì)于背板設(shè)計(jì)的好壞已經(jīng)有了比較客觀全面的了解。但是在配合實(shí)際的子卡運(yùn)行時(shí),，仍然有可能會(huì)出現(xiàn)傳輸誤碼率過大或者鏈路不穩(wěn)定的情況,。為了定位問題，通常需要對(duì)子卡發(fā)出的信號(hào)質(zhì)量進(jìn)行驗(yàn)證,。信號(hào)質(zhì)量的測試工具主要是高帶寬的示波器,，而要保證對(duì)這么高速率信號(hào)的正確測試需要示波器有足夠高的帶寬(通常需要40 GHz以上)以及足夠低的本底抖動(dòng)(最好小于100 fs rms)和噪聲。

　　同時(shí),，這些信號(hào)質(zhì)量項(xiàng)目的測試完全依賴手動(dòng)完成會(huì)非常耗時(shí)耗力,，測試人員對(duì)于規(guī)范理解和儀表設(shè)置的不同也會(huì)造成很多測量結(jié)果的不確定性。為了簡化測試,，Keysight公司專門提供了針對(duì)CEI3.1的自動(dòng)測試軟件N1012A和針對(duì)100GBase-KR4的自動(dòng)測試軟件N8829A,。

　　N1012A是針對(duì)CEI3.1規(guī)范的信號(hào)質(zhì)量自動(dòng)測試軟件，可以運(yùn)行在Keysight公司的DCA-X 86100D采樣示波器的平臺(tái)上,，支持CEI-25G-LR,、CEI-28G-SR/VSR等接口規(guī)范的一致性測試。DCA-X 86100D是高性能的采樣示波器主機(jī),，可以靈活換插不同的測量模塊,。比如其86108B模塊可以提供差分50 GHz的測量帶寬，并內(nèi)置到32 Gb/s的時(shí)鐘恢復(fù)及精密時(shí)基,，固有抖動(dòng)僅50 fs,，是做高速數(shù)字信號(hào)質(zhì)量測試最理想的工具；如果需要更高的測量密度,，其N1045A模塊可以實(shí)現(xiàn)在一個(gè)機(jī)箱內(nèi)提供最多16個(gè)高達(dá)60 GHz的電測量通道,；如果需要進(jìn)行光信號(hào)的測試，還可以插入86105C或86105D等高性能的光測量模塊,。在測試過程中,，測試人員首先需要根據(jù)測試軟件的設(shè)置向?qū)нx擇測試標(biāo)準(zhǔn)、測試項(xiàng)目,，然后軟件會(huì)根據(jù)當(dāng)前的測試項(xiàng)目提示連接圖以及需要被測件發(fā)出的測試碼型,，一切正常后軟件會(huì)自動(dòng)進(jìn)行波形參數(shù)的測試和計(jì)算,，并生成相應(yīng)的測試報(bào)告。圖5是DCA-X采樣示波器,、N1012A軟件的設(shè)置界面和支持的測試參數(shù),。

　　而N8829A是針對(duì)100GBase-KR4的信號(hào)質(zhì)量自動(dòng)測試軟件，可以運(yùn)行在Keysight公司的90000X/Q/Z系列實(shí)時(shí)示波器平臺(tái)上,。如果測試人員對(duì)于信號(hào)調(diào)試和觸發(fā)能力有更多要求,，實(shí)時(shí)示波器是個(gè)很好的選擇。Keysight公司的Z系列實(shí)時(shí)示波器可以提供高達(dá)63 GHz的帶寬和160 G/s的實(shí)時(shí)采樣率,，其固有抖動(dòng)和底噪聲為業(yè)內(nèi)最好水平,。

3 總結(jié)

　　通過前面的介紹可以看出100 Gb/s背板上單對(duì)差分線的信號(hào)傳輸速率高達(dá)25 Gb/s甚至更高。對(duì)其插入損耗,、回波損耗,、阻抗、串?dāng)_的測試可以借助于多端口的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀以及信號(hào)完整性分析軟件,；對(duì)其信號(hào)傳輸眼圖,、傳輸誤碼率等傳輸能力的測試可以借助于高性能帶預(yù)加重的誤碼儀以及高帶寬、底噪聲的示波器,；對(duì)其子卡發(fā)送的信號(hào)質(zhì)量的測試驗(yàn)證可以借助于高性能的采樣示波器或者實(shí)時(shí)示波器并配合相應(yīng)的信號(hào)一致性測試軟件,。