高速數字接口與光電測試（簡體書）

數字化正以不可逆轉的趨勢重構我們的生活。

當珠峰被第一縷金光照耀時，8848米的風景被數字化後經5G網絡和二氧化硅的單模光纖傳送到千裡之外； 當開啟一天工作進行新產品設計時，創意思想在DDR內存和CPU納米級別的原子迷宮裡曲折往返； 當宅家玩高清遊戲時，虛擬世界通過PCIe總線在GPU的乘加陣列裡做快速的矩陣旋轉； 當開啟GPS自駕旅行時，從衛星接收和計算的位置信息在數字化地圖上被精確標注和指引。

隨著互聯網上數據流量的爆發和AI應用的落地，高性能服務器、大規模數據中心、5G基站、高速光網絡等已經成為新基建的核心基礎設施。為了應對計算和帶寬的壓力，數字接口和光互聯技術正以每3~5年一代的速度快速升級迭代。

本書前一版本《高速數字接口原理與測試指南》成書於2014年，匯集了當時比較流行的一些高速數字接口技術和測試方法，也得到了讀者的大力支持。但隨著技術的快速迭代，原書有些關於主流接口的內容逐漸過時。而且隨著電連接技術不斷被推向極限，光互聯技術也從陽春白雪開始走入千家萬戶，有必要對其做專門的剖析。因此這本《高速數字接口與光電測試》在保留原書架構的基礎上做了大的更新和增刪，其中約有一半和高速光電互聯有關的章節為全新內容，希望能夠幫助讀者構架起高速數字總線、高速光電互聯的基礎概念，了解相關行業的前沿進展及測試技術。但因篇幅所限，很多技術內容沒有充分展開，關注具體技術細節的讀者可以進一步閱讀相關的專業文獻，本書就作為對當前高速數字連接技術發展的一個記錄吧。

本書第1、2章先介紹了高速數字信號的上升時間、帶寬、建立/保持時間、並行總線/串行總線、單端與差分信號、時鐘分配、編碼方式、傳輸線的影響、預加重和均衡、抖動和擴頻時鐘、鏈路均衡、PAM4調制等基本概念，隨後詳細解釋了數字信號的波形、眼圖、模板、抖動、相位噪聲、傳輸線影響以及測試分析方法等。

第3～9章針對一些典型高速接口如USB3.0、USB4.0、PCIe4.0、PCIe5.0、DDR4/5、LPDDR4/5、HDMI1.4、HDMI2.1、DP2.0、千兆/10G以太網、SFP+、車載以太網、100G背板、GDDR/HBM、CCIX、CXL、NVLink、GenZ、InfiniBand等的標準發展、技術演變、測試方法等做了詳細介紹。

第9~13章主要介紹了光纖原理、多模光纖、單模光纖、保偏光纖、光纖連接器種類、模場直徑、光信號調制、TOSA/ROSA組件、VCSEL/FB/DFB光源、DML/EML/MZM調制技術、PIPD探測器、光模塊封裝類型、硅光技術、Copackage、光纖鏈路預算、FEC、I/Q調制等技術，並詳細解讀了光接口速率發展、並行單模、並行多模、粗波分復用、細波分復用、密集波分復用、多模波分復用、Mux/DeMux、單纖雙向、偏振復用等基本概念，以及中心波長、平均光功率、消光比、光調制幅度、眼圖模板、J2/J9、VECP、TDP、TDECQ、光壓力眼、EVM等參數的概念和測試方法。

第14~20章介紹了數據中心的光互聯技術、數據中心內部25G/100G/400G網絡結構與發展、數據中心間的DCI網絡、5G光承載網的關鍵光互聯技術、100G/400G光模塊類型與光電接口測試、800G光互聯的挑戰與關鍵技術、CEI28GVSR電接口測試、112G電口測試、224G光口測試，以及高速光電器件的發展、光無源器件測試、有源器件測試、硅光晶圓測試、相干通信技術發展與測試方法等。

本書在寫作過程中，借鑒了一些Keysight公司的公開產品及方案資料，一些實際測試波形由筆者借助Keysight公司的測試設備完成，特此聲明。

筆者2021年9月

第1章數字信號基礎
什麼是數字信號（Digital Signal）
數字信號的上升時間（Rising Time）
數字信號的帶寬（Bandwidth）
數字信號的建立/保持時間（Setup/Hold Time）
並行總線與串行總線（Parallel and Serial Bus）
單端信號與差分信號（Singleend and Differential Signals）
數字信號的時鐘分配（Clock Distribution）
串行總線的8b/10b編碼（8b/10b Encoding）
偽隨機碼型（PRBS）
傳輸線的影響（Transmission Line Effects）
數字信號的預加重（Preemphasis）
數字信號的均衡（Equalization）
數字信號的抖動（Jitter）
擴頻時鐘（SSC）
鏈路均衡協商（Link Equalization Negotiation）
PAM信號（Pulse Amplitude Modulation）
第2章數字測試基礎
數字信號的波形分析（Waveform Analysis）
數字信號的眼圖分析（Eye Diagram Analysis）
眼圖的參數測量（Eye Diagram Measurement）
眼圖的模板測試（Mask Test）
數字信號的抖動分析（Jitter Analysis）
數字信號的抖動分解（Jitter Separation）
串行數據的時鐘恢復（Clock Recovery）
抖動測量本底（Jitter Measurement Floor）
相位噪聲測量（Phase Noise Measurement）
PAM-4信號測試（PAM-4 Signal Measurement）
特徵阻抗（Characteristic Impedance）
TDR測試（Time Domain Reflectometer）
傳輸線的建模（Transmission Line Modelling）
第3章USB簡介與物理層測試
USB總線簡介
USB3.x發送端信號質量測試
USB3.x的測試碼型和LFPS信號
Type-C接口與PD測試
USB3.x的接收端容限測試
USB4.0簡介
USB4.0的發送端信號質量測試
USB4.0的接收容限測試
USB電纜/連接器測試
第4章PCIe 簡介與物理層測試
PCIe背景概述
PCIe4.0的物理層技術
PCIe4.0的測試項目
PCIe4.0的測試夾具和測試碼型
PCIe4.0的發射機質量測試
PCIe4.0的接收端容限測試
PCIe5.0物理層技術
PCIe5.0發送端信號質量及LinkEQ測試
PCIe5.0接收端容限測試
PCIe6.0技術展望
第5章DDR簡介與信號和協議測試
DDR/LPDDR簡介
DDR的信號仿真驗證
DDR的讀寫信號分離
DDR的信號探測技術
DDR4/5與LPDDR4/5的信號質量測試
DDR5的接收端容限測試
DDR4/5的協議測試
第6章HDMI/DP簡介與物理層測試
HDMI/DP顯示接口簡介
HDMI物理層簡介
HDMI2.1物理層測試
DP物理層簡介
DP2.0物理層測試
第7章Ethernet簡介與物理層測試
以太網技術簡介
10M/100M/1000M以太網測試項目
10M/100M/1000M以太網的測試
10GBaseT/MGBaseT/NBaseT的測試
10G SFP+接口簡介及測試方法
車載以太網簡介及物理層測試
第8章高速背板性能的驗證
高速背板簡介及測試需求
背板的頻域參數和阻抗測試
背板傳輸眼圖和誤碼率測試
插卡信號質量的測試
高速背板測試總結
第9章高性能AI芯片的接口發展及測試
AI計算芯片的特點
AI芯片高速接口的發展趨勢
DDR/GDDR/HBM高速存儲總線
PCIe/CCIX/CXL互聯接口
NVLink/OpenCAPI互聯接口
GenZ互聯接口
以太網/InfiniBand網絡接口
高性能 AI芯片的接口及電源測試
第10章光纖技術簡介
光纖（Optical Fiber）簡介
多模光纖（MultiMode Fiber）
單模光纖（SingleMode Fiber）
保偏光纖（PM Fiber）
光纖連接器（Fiber Connector）
光纖的模場直徑(MFD)
第11章光通信關鍵技術
光模塊簡介（Optical Transceiver）
光信號的調制（Optical Modulation）
光發射和接收組件（TOSA/ROSA）
光通信光源（LED/VCSEL/FB/DFB）
光調制器（DML/EML/MZM）
光探測器（PN/PIPD）
光模塊的封裝類型（Formfactor）
硅光技術（Silicon Photonic）
板上光模塊與光電合封（COBO/Copackage）
光纖鏈路的功率裕量（Loss Budget）
前向糾錯（FEC）
I/Q調制（I/Q Modulation）
光接口速率的發展（Data Rate Increasing）
第12章光復用技術
並行多模(Parallel Multimode)
並行單模(Parallel Single Mode)
粗波分(CWDM)/細波分(LanWDM)復用
密集波分復用（DWDM）
多模波分復用(SWDM)
波長復用/解復用（Mux/DeMux）
單纖雙向(BiDi)
偏振復用(PDM)
第13章光信號測試基礎
中心波長（Center Wavelength）
平均光功率（Average Optical Power）
消光比（ER）
光調制幅度（OMA/OMAouter）
眼圖模板（Eye Mask）和命中率（Hit Ratio）
J2/J9抖動（J2/J9 Jitter）
VECP（Vertical Eye Closure Penalty）
TDP（Transmitter Dispersion Penalty）
TDECQ（Transmitter Dispersion and Eye Closure Quaternary）
TDECQ的測量（TDECQ Measurement）
TDECQ測量算法（TDECQ Algorithm）
光壓力眼（Optical Stress Eye）
光接收機壓力測試（ORST）
矢量調制誤差（Error Vector Magnitude）
第14章數據中心光互聯技術
數據中心網絡的結構
數據中心內部的網絡連接
數據中心之間的互聯
第15章100G光模塊簡介及測試
100G光模塊簡介
CEI28GVSR測試點及測試夾具
CEI28GVSR

第三章USB簡介與物理層測試
USB總線簡介
自1995年USB1.0的規範發布以來，USB（Universal Serial Bus）接口標準經過了20多年的持續發展和更新，已經成為PC和外設連接最廣泛使用的接口。USB歷經了多年的發展，從第一代的USB1.0 低速（Low Speed）、USB1.1全速（Full Speed）標準，逐漸演進到第2代的USB2.0 高速（High Speed）標準和第3代的USB3.0超高速（Super Speed）標準。這些標準目前都已經得到廣泛的應用。
後來，為了應對eSATA、ThunderBolt等標準對USB標準的威脅，USB協會又分別在2013年和2017年發布了USB3.1及USB3.2的標準。在USB3.1標準中新定義了10Gbps速率以及對TypeC接口的支持； 在USB3.2標準中，又基於TypeC接口提供了對X2模式的支持，可以通過收發方向各捆綁2條10Gbps的鏈路實現20Gbps的數據傳輸。而最新的USB4.0標準已經於2019年發布，可以通過捆綁2條20Gbps的鏈路實現40Gbps的接口速率。表3.1是USB各代總線的技術對比。
表3.1USB總線的發展
性能特點USB2.0USB3.0USB3.1USB3.2USB4.0
發布時間2000年2008年2013年2017年2019年
最高接口速率480Mbps5Gbps(Gen1)10Gbps速率
（Gen2）20Gbps
(Gen2 x2)40Gbps
(Gen3 x2)
連接器TypeA/B/CTypeA/B/CTypeA/B/CTypeCTypeC
Retimer(中繼器)無定義無定義無定義支持支持2級
編碼方式無8b/10b128b/132b128b/132b128b/132b
典型電纜長度5m3m1m1m有源電纜1m,0.8m，有源電纜
發送端預加重無2階預加重3階預加重3階預加重3階（16種預設值）
接收端均衡方式無CTLE(2種強度)CTLE(7種強度)
+DFECTLE(7種強度)
+DFECTLE(10種強度)
+DFE
從表3.1中可以看出，USB3.0、USB3.1、USB3.2、USB4.0每一代的數據速率都有非常大的提升。需要注意的是，在USB3.1規範推出後，之前USB3.0中定義的5Gbps速率被稱為Gen1速率，新定義的10Gbps被稱為Gen2速率。而在2019年發布的USB4.0規範中，新增的20Gbps速率被稱為Gen3速率。
USB3.0和之後的標準都采用了雙總線架構（圖3.1），即在USB2.0的基礎上增加了超高速總線部分。超高速總線的信號速率達到5Gbps、10Gbps甚至20Gbps，采用全雙工方式工作。以PC上最普遍使用的TypeA連接器為例，為了支持更高速率的信號傳輸，就在原有USB2.0的4根線（Vbus、Gnd、D+、D-）基礎上新增加了5根信號線，包括2對差分線和1根屏蔽地線（如果是TypeC連接器則增加更多）。原來的4根線完全兼容原來的USB2.0設備； 新增的這兩對差分線采用全雙工作模式，一對線負責發送，另一對線負責接收，發送和接收都可實現5Gbps或以上速率的數據傳輸。
圖3.1典型USB3.x的總線架構
由於數據速率提升，能夠支持的電纜長度也會縮短。比如USB2.0電纜長度能夠達到5m，USB3.0接口支持的電纜長度在5Gbps速率下可以達到3m，USB3.1在10Gbps速率下如果不采用特殊的有源電纜技術只能達到1m。USB4.0標準中通過提升芯片性能，在10Gbps速率下可以支持2m的電纜傳輸，而在20Gbps速率下也僅能支持0.8m的無源電纜。
隨著新的更高速率接口的產生，原有的USB連接器技術也在不斷改進。圖3.2是一些類型的USB2.0和USB3.0連接器類型。其中，TypeC是隨著USB3.x標準推出的新型高性能連接器，也可以向下兼容提供USB2.0的連接。
圖3.2USB3.x的電纜和連接器（參考資料： 網絡圖片）
對於不同類型連接器的主機、設備、電纜來說，其傳輸通道損耗的要求也不一樣。圖3.3是USB3.1標準中各種速率和接口類型組合對於鏈路損耗的要求（損耗值對應的是Nyquist頻點，即信號數據速率的1/2頻率處），在具體電路設計和測試中可以參考。
圖3.3不同速率和接口的USB鏈路損耗預算（資料來源： www.usb.org）
每一代USB新的標準推出，都考慮到了對前一代的兼容能力，但是一些新的特性可能只能在新的技術下支持。比如USB3.2的X2模式、USB4.0的20Gbps速率、更強的供電能力及對多協議的支持等，都只能在新型的TypeC連接器上實現。
由於USB總線的信號速率已經很高，且鏈路損耗和鏈路組合的情況非常複雜，所以給設計和測試驗證工作帶來了挑戰，對於測試儀器的功能和性能要求也與傳統的USB2.0差別很大。下面將詳細介紹其相關的電氣性能測試方法。由於涉及的標準眾多，為了避免混淆，我們將把USB3.0、USB3.1、USB3.2標準統稱為USB3.x，並與USB4.0標準分開介紹。
USB3.x發送端信號質量測試
在進行USB3.x發送端信號質量測試時，會要求測試物件發出特定的測試碼型，用實時示波器對該碼型進行眼圖分析，並測量信號的幅度、抖動、平均數據率及上升下降時間等。雖然看起來好像比較簡單，但實際上USB3.x針對超高速部分的信號測試與傳統USB2.0的測試方法有較大的不同，包括很多算法的處理和注意事項。
首先，由於USB3.x信號速率很高，且信號的幅度更小，因此測試中需要更高帶寬的示波器。對於