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(mén)的100G網(wǎng)絡(luò)上單對(duì)差分線(xiàn)的數(shù)據(jù)速率已達(dá)到了25 Gb/s甚至更高。無(wú)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(chǎng)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(wèn)題。本文對(duì)于100 Gb/s背板開(kāi)發(fā)中可能遇到的挑戰(zhàn)以及相應(yīng)的測(cè)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(lái)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(lái)說(shuō)，通常采用插卡式的機(jī)構(gòu)來(lái)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(lài)于高速的傳輸背板。在光背板技術(shù)還沒(méi)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(xiàn)。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(xiàn)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(xiàn)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(guò)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(xiàn)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(xiàn)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(lèi)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(xiàn)上傳輸25.78 Gb/s的數(shù)據(jù)速率，同樣的4對(duì)差分線(xiàn)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(cè)試

　　對(duì)于100G背板的設(shè)計(jì)和測(cè)試人員來(lái)說(shuō)，最大的挑戰(zhàn)在于單對(duì)差分線(xiàn)上的信號(hào)速率已經(jīng)高達(dá)25 Gb/s左右，而且經(jīng)過(guò)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(cè)試人員來(lái)說(shuō)，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(chǎng)合，需要進(jìn)行以下項(xiàng)目的測(cè)試：

　　(1)背板的插入損耗、回波損耗、阻抗、串?dāng)_的測(cè)試；

　　(2)背板傳輸眼圖和誤碼率測(cè)試；

　　(3)發(fā)送端信號(hào)質(zhì)量的測(cè)試。

　　下面將對(duì)各測(cè)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(cè)試

　　對(duì)于大的背板來(lái)說(shuō)，相距最遠(yuǎn)的兩個(gè)連接器間的PCB走線(xiàn)距離可能超過(guò)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(cè)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(cè)試精度和重復(fù)性好，測(cè)試功能多，是射頻微波領(lǐng)域進(jìn)行器件測(cè)試最常用的工具。近些年人們開(kāi)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(cè)試夾具對(duì)一塊高速背板進(jìn)行測(cè)試的例子。

　　背板參數(shù)的測(cè)試結(jié)果通常用S參數(shù)來(lái)描述。對(duì)于一對(duì)差分的傳輸線(xiàn)來(lái)說(shuō)，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(guò)矩陣運(yùn)算轉(zhuǎn)換為對(duì)差分線(xiàn)來(lái)說(shuō)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(xiàn)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(shuō)SDD21參數(shù)就反映了差分線(xiàn)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(cè)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(cè)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(xiàn)進(jìn)行測(cè)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(cè)試，也可以通過(guò)反FFT變換，把S參數(shù)變換到時(shí)域得到被測(cè)件的時(shí)域傳輸曲線(xiàn)，比如被測(cè)件的TDR(Time Domain Reflection，時(shí)域反射)曲線(xiàn)。圖3是根據(jù)矢網(wǎng)測(cè)試到的參數(shù)計(jì)算得到的一段17 inch背板走線(xiàn)的阻抗變化曲線(xiàn)，這條曲線(xiàn)直觀反映了被測(cè)件上的阻抗變化情況。

　　除了單一線(xiàn)對(duì)上的插入損耗、回波損耗以及阻抗的測(cè)試以外，由于背板上傳輸線(xiàn)的數(shù)量很多，密度很高，線(xiàn)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(cè)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(xiàn)的測(cè)試占用4個(gè)端口，兩對(duì)差分線(xiàn)間的串?dāng)_測(cè)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(cè)試是最方便的，因?yàn)樵跍y(cè)試軟件的控制下可以很快完成多對(duì)差分線(xiàn)間的NEXT和FEXT測(cè)試。如果出于成本的考慮，也可以?xún)H用4個(gè)端口來(lái)實(shí)現(xiàn)串?dāng)_測(cè)試，這時(shí)需要把沒(méi)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(cè)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(xiàn)的不對(duì)稱(chēng)以及連接器、過(guò)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(xiàn)的對(duì)稱(chēng)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(cè)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(guò)觀察實(shí)際信號(hào)的傳輸情況來(lái)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(guò)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(kāi)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(guò)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(cè)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(guò)來(lái)的信號(hào)進(jìn)行測(cè)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(cè)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(cè)量帶寬和80 G/s的采樣率，如果需要更高測(cè)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(guò)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(cè)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(jiǎn)化了預(yù)加重調(diào)整帶來(lái)的困擾。

　　如果背板設(shè)計(jì)的插損曲線(xiàn)比較平滑，預(yù)加重對(duì)于線(xiàn)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(xiàn)盡可能平滑。

　　進(jìn)一步地，很多用戶(hù)還希望借助于誤碼儀測(cè)試一下背板的實(shí)際傳輸誤碼率。真實(shí)的誤碼率測(cè)試應(yīng)該在串?dāng)_存在的情況下進(jìn)行測(cè)試，而且由于實(shí)際情況下多對(duì)差分線(xiàn)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(cè)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(cè)試

　　當(dāng)進(jìn)行完背板的S參數(shù)及傳輸能力的測(cè)試后，可以說(shuō)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(guò)大或者鏈路不穩(wěn)定的情況。為了定位問(wèn)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(cè)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(cè)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(cè)試完全依賴(lài)手動(dòng)完成會(huì)非常耗時(shí)耗力，測(cè)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(cè)量結(jié)果的不確定性。為了簡(jiǎn)化測(cè)試，Keysight公司專(zhuān)門(mén)提供了針對(duì)CEI3.1的自動(dòng)測(cè)試軟件N1012A和針對(duì)100GBase-KR4的自動(dòng)測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量模塊。比如其86108B模塊可以提供差分50 GHz的測(cè)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(cè)試最理想的工具；如果需要更高的測(cè)量密度，其N(xiāo)1045A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(cè)量通道；如果需要進(jìn)行光信號(hào)的測(cè)試，還可以插入86105C或86105D等高性能的光測(cè)量模塊。在測(cè)試過(guò)程中，測(cè)試人員首先需要根據(jù)測(cè)試軟件的設(shè)置向?qū)нx擇測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)、測(cè)試項(xiàng)目，然后軟件會(huì)根據(jù)當(dāng)前的測(cè)試項(xiàng)目提示連接圖以及需要被測(cè)件發(fā)出的測(cè)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(cè)試和計(jì)算，并生成相應(yīng)的測(cè)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(cè)試參數(shù)。

　　而N8829A是針對(duì)100GBase-KR4的信號(hào)質(zhì)量自動(dòng)測(cè)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(cè)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(guò)前面的介紹可以看出100 Gb/s背板上單對(duì)差分線(xiàn)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)試軟件。