摘 要： 高速背板是構(gòu)建高性能數(shù)據(jù)平臺的關(guān)鍵部件。目前熱門的100G網(wǎng)絡上單對差分線的數(shù)據(jù)速率已達到了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用場合需要的傳輸距離。當背板加工完成以后，需要進行一系列插入損耗、回波損耗、阻抗、串擾、信號傳輸眼圖、傳輸誤碼率等，在系統(tǒng)調(diào)試階段還需要對子卡發(fā)送的信號進行驗證以排除可能的信號質(zhì)量問題。本文對于100 Gb/s背板開發(fā)中可能遇到的挑戰(zhàn)以及相應的測試方法進行了詳細的介紹和講解。
關(guān)鍵詞： 100G；背板；CEI；100GBase-KR4
隨著云計算和大數(shù)據(jù)概念的普及，人們對于數(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交換機已經(jīng)可以在一個機架內(nèi)部提供10 Tb/s以上的數(shù)據(jù)交換能力。對于高速的數(shù)據(jù)交換設(shè)備來說，通常采用插卡式的機構(gòu)來提高數(shù)據(jù)處理和傳輸能力，而內(nèi)部各個板卡間有效的數(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，電信號的傳輸技術(shù)仍然是主流的背板實施方案。典型的背板會采用20層以上的PCB疊層結(jié)構(gòu)并承載上千對的高速差分走線。為了在有限的空間內(nèi)提供更高速的數(shù)據(jù)交換能力，一個有效的方法就是提高每對差分線上的數(shù)據(jù)傳輸速率。
1 高速背板的演進
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標準中，通過發(fā)送端復雜的預加重及接收端均衡器設(shè)置，可以只用一對差分線就實現(xiàn)10.3125 Gb/s信號傳輸。
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）標準是關(guān)于高速背板的互連規(guī)范。這個規(guī)范允許信號以19.9～25.8 Gb/s的速率傳輸27 inch的距離，當使用4對差分線同時傳輸時可以實現(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標準，并定義了100GBASE-KR4的背板以太網(wǎng)接口規(guī)范。這個接口允許在單對差分線上傳輸25.78 Gb/s的數(shù)據(jù)速率，同樣的4對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
對于100G背板的設(shè)計和測試人員來說，最大的挑戰(zhàn)在于單對差分線上的信號速率已經(jīng)高達25 Gb/s左右，而且經(jīng)過兩個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)，要嚴格控制傳輸通道的損耗和阻抗連續(xù)性仍然是個很大的挑戰(zhàn)。
對于高速背板的設(shè)計和測試人員來說，要確保設(shè)計的背板可以可靠地應用于100 Gb/s（4×25 Gb/s）的信號傳輸場合，需要進行以下項目的測試：
(1)背板的插入損耗、回波損耗、阻抗、串擾的測試；
(2)背板傳輸眼圖和誤碼率測試；
(3)發(fā)送端信號質(zhì)量的測試。
下面將對各測試項目進行詳細介紹。
2.1 背板的插入損耗、回波損耗、阻抗、串擾的測試
對于大的背板來說，相距最遠的兩個連接器間的PCB走線距離可能超過20 inch以上，這時候高頻電信號的損耗會非常大。為了控制背板的損耗，OIF和IEEE的規(guī)范里對于背板的損耗都有嚴格的要求。
要對背板的插入損耗等頻域參數(shù)進行測試，最常用的工具就是矢量網(wǎng)絡分析儀（VNA，Vector Network Analyzer）。矢量網(wǎng)絡分析儀由于覆蓋頻率高，測試精度和重復性好，測試功能多，是射頻微波領(lǐng)域進行器件測試最常用的工具。近些年人們開始把矢量網(wǎng)絡分析儀用于高速數(shù)字信號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)絡分析儀已經(jīng)和高速示波器、誤碼儀等一起成為每個高速信號完整性實驗室的必備工具。圖1是借助于相應的測試夾具對一塊高速背板進行測試的例子。
背板參數(shù)的測試結(jié)果通常用S參數(shù)來描述。對于一對差分的傳輸線來說，其4個端口相互之間一共有16個單端的S參數(shù)。分析時為了方便，會把這16個單端的S參數(shù)通過矩陣運算轉(zhuǎn)換為對差分線來說更有意義的16個差分的S參數(shù)。這16個S參數(shù)完整地描述了這對差分線的插入損耗、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。
多個端口間復雜的信號反射、傳輸、串擾等S參數(shù)測試需要用到多端口的矢量網(wǎng)絡分析儀。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)絡分析儀對一段27英寸背板走線進行測試得到的4個差分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)變換到時域得到被測件的時域傳輸曲線，比如被測件的TDR(Time Domain Reflection，時域反射)曲線。圖3是根據(jù)矢網(wǎng)測試到的參數(shù)計算得到的一段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，線對間的串擾在高頻的情況下也比較嚴重。串擾分為近端串擾(NEXT：Near-end Crosstalk)和遠端串擾(FEXT：Far-end Crosstalk)，近端串擾指的是對同側(cè)其他差分對的干擾，而遠端串擾指的是對另一側(cè)其他差分對的干擾。串擾的測試通常需要更多端口的矢量網(wǎng)絡分析儀。比如一對差分線的測試占用4個端口，兩對差分線間的串擾測試就需要用到8個端口。使用更多端口的矢網(wǎng)做串擾測試是最方便的，因為在測試軟件的控制下可以很快完成多對差分線間的NEXT和FEXT測試。如果出于成本的考慮，也可以僅用4個端口來實現(xiàn)串擾測試，這時需要把沒有連接矢網(wǎng)的端口用負載進行端接，這樣做的缺點是測試中需要多次手動更改電纜和負載的連接。
串擾的產(chǎn)生很多是由于差分線的不對稱以及連接器、過孔處的信號輻射造成的，因此改善串擾需要盡量保證走線的對稱性以及關(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)計人員對背板的性能參數(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)和阻抗偏差對于最終的信號質(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際信號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驗表明：通過采用優(yōu)良的PCB板材、連接器，并在發(fā)送端進行合適的預加重設(shè)置，是有可能在接收端得到一個將近張開的眼圖的（眼高大約30 mV左右）。如果背板設(shè)計達到了這個目的，那么通過接收芯片里的均衡器可以進一步改善信號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，要進行背板的的傳輸信號能力的測試，首先需要一臺高性能的帶多階預加重能力的信號發(fā)生器，用于在背板的一端產(chǎn)生高速的串行信號，然后在另一端用高帶寬的示波器對傳輸過來的信號進行測試。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32 Gb/s的帶5階預加重的信號；而DSA-90000X系列示波器可以提供32 GHz的實時測量帶寬和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系列實時示波器或者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以上的預加重設(shè)置。預加重技術(shù)對信號改善的效果取決于預加重的幅度的大小和階數(shù)。預加重參數(shù)的設(shè)置需要和該信號傳輸通道的損耗特性相匹配才能得到比較好的信號改善效果，如果補償過頭，得到的眼圖有可能會比不使用相關(guān)技術(shù)時更加惡劣。為了幫助設(shè)計人員更好地調(diào)整預加重系數(shù)，N4960A的控制軟件里還提供了自動的計算工具。在這個工具里，測試人員可以導入通道的S參數(shù)文件，并根據(jù)插損數(shù)據(jù)自動計算最合適的預加重系數(shù)，這大大簡化了預加重調(diào)整帶來的困擾。
如果背板設(shè)計的插損曲線比較平滑，預加重對于線路損耗的補償效果會比較好。因此背板設(shè)計中除了要控制插損以外，對于阻抗的連續(xù)性要求也比較高，以保證插損曲線盡可能平滑。
進一步地，很多用戶還希望借助于誤碼儀測試一下背板的實際傳輸誤碼率。真實的誤碼率測試應該在串擾存在的情況下進行測試，而且由于實際情況下多對差分線上的信號不一定有明確的相位關(guān)系，所以在進行誤碼率測試時一定要在相鄰的其他通道上加上相位不相關(guān)的串擾信號。
2.3 發(fā)送端信號質(zhì)量的測試
當進行完背板的S參數(shù)及傳輸能力的測試后，可以說對于背板設(shè)計的好壞已經(jīng)有了比較客觀全面的了解。但是在配合實際的子卡運行時，仍然有可能會出現(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，通常需要對子卡發(fā)出的信號質(zhì)量進行驗證。信號質(zhì)量的測試工具主要是高帶寬的示波器，而要保證對這么高速率信號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(最好小于100 fs rms)和噪聲。
同時，這些信號質(zhì)量項目的測試完全依賴手動完成會非常耗時耗力，測試人員對于規(guī)范理解和儀表設(shè)置的不同也會造成很多測量結(jié)果的不確定性。為了簡化測試，Keysight公司專門提供了針對CEI3.1的自動測試軟件N1012A和針對100GBase-KR4的自動測試軟件N8829A。
N1012A是針對CEI3.1規(guī)范的信號質(zhì)量自動測試軟件，可以運行在Keysight公司的DCA-X 86100D采樣示波器的平臺上，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，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的時鐘恢復及精密時基，固有抖動僅50 fs，是做高速數(shù)字信號質(zhì)量測試最理想的工具；如果需要更高的測量密度，其N1045A模塊可以實現(xiàn)在一個機箱內(nèi)提供最多16個高達60 GHz的電測量通道；如果需要進行光信號的測試，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擇測試標準、測試項目，然后軟件會根據(jù)當前的測試項目提示連接圖以及需要被測件發(fā)出的測試碼型，一切正常后軟件會自動進行波形參數(shù)的測試和計算，并生成相應的測試報告。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100GBase-KR4的信號質(zhì)量自動測試軟件，可以運行在Keysight公司的90000X/Q/Z系列實時示波器平臺上。如果測試人員對于信號調(diào)試和觸發(fā)能力有更多要求，實時示波器是個很好的選擇。Keysight公司的Z系列實時示波器可以提供高達63 GHz的帶寬和160 G/s的實時采樣率，其固有抖動和底噪聲為業(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背板上單對差分線的信號傳輸速率高達25 Gb/s甚至更高。對其插入損耗、回波損耗、阻抗、串擾的測試可以借助于多端口的矢量網(wǎng)絡分析儀以及信號完整性分析軟件；對其信號傳輸眼圖、傳輸誤碼率等傳輸能力的測試可以借助于高性能帶預加重的誤碼儀以及高帶寬、底噪聲的示波器；對其子卡發(fā)送的信號質(zhì)量的測試驗證可以借助于高性能的采樣示波器或者實時示波器并配合相應的信號一致性測試軟件。