前言
数字化正以不可逆转的趋势重构我们的生活。
当珠峰被缕金光照耀时,8848米的风景被数字化后经5G网络和二氧化硅的单模光纤传送到千里之外; 当开启一天工作进行新产品设计时,创意思想在DDR内存和CPU纳米级别的原子迷宫里曲折往返; 当宅家玩高清游戏时,虚拟世界通过PCIe总线在GPU的乘加阵列里做快速的矩阵旋转; 当开启GPS自驾旅行时,从卫星接收和计算的位置信息在数字化地图上被精确标注和指引。
随着互联网上数据流量的爆发和AI应用的落地,高性能服务器、大规模数据中心、5G基站、高速光网络等已经成为新基建的核心基础设施。为了应对计算和带宽的压力,数字接口和光互联技术正以每3~5年一代的速度快速升级迭代。
本书前一版本《高速数字接口原理与测试指南》成书于2014年,汇集了当时比较流行的一些高速数字接口技术和测试方法,也得到了读者的大力支持。但随着技术的快速迭代,原书有些关于主流接口的内容逐渐过时。而且随着电连接技术不断被推向极限,光互联技术也从阳春白雪开始走入千家万户,有必要对其做专门的剖析。因此这本《高速数字接口与光电测试》在保留原书架构的基础上做了大的更新和增删,其中约有一半和高速光电互联有关的章节为全新内容,希望能够帮助读者构架起高速数字总线、高速光电互联的基础概念,了解相关行业的前沿进展及测试技术。但因篇幅所限,很多技术内容没有充分展开,关注具体技术细节的读者可以进一步阅读相关的专业文献,本书就作为对当前高速数字连接技术发展的一个记录吧。
本书第1、2章先介绍了高速数字信号的上升时间、带宽、建立/保持时间、并行总线/串行总线、单端与差分信号、时钟分配、编码方式、传输线的影响、预加重和均衡、抖动和扩频时钟、链路均衡、PAM4调制等基本概念,随后详细解释了数字信号的波形、眼图、模板、抖动、相位噪声、传输线影响以及测试分析方法等。
第3~9章针对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以太网、SFP 、车载以太网、100G背板、GDDR/HBM、CCIX、CXL、NVLink、GenZ、InfiniBand等的标准发展、技术演变、测试方法等做了详细介绍。
第9~13章主要介绍了光纤原理、多模光纤、单模光纤、保偏光纤、光纤连接器种类、模场直径、光信号调制、TOSA/ROSA组件、VCSEL/FB/DFB光源、DML/EML/MZM调制技术、PIN/APD探测器、光模块封装类型、硅光技术、Copackage、光纤链路预算、FEC、I/Q调制等技术,并详细解读了光接口速率发展、并行单模、并行多模、粗波分复用、细波分复用、密集波分复用、多模波分复用、Mux/DeMux、单纤双向、偏振复用等基本概念,以及中心波长、平均光功率、消光比、光调制幅度、眼图模板、J2/J9、VECP、TDP、TDECQ、光压力眼、EVM等参数的概念和测试方法。
第14~20章介绍了数据中心的光互联技术、数据中心内部25G/100G/400G网络结构与发展、数据中心间的DCI网络、5G光承载网的关键光互联技术、100G/400G光模块类型与光电接口测试、800G光互联的挑战与关键技术、CEI28GVSR电接口测试、112G电口测试、224G光口测试,以及高速光电器件的发展、光无源器件测试、有源器件测试、硅光晶圆测试、相干通信技术发展与测试方法等。
本书在写作过程中,借鉴了一些Keysight公司的公开产品及方案资料,一些实际测试波形由笔者借助Keysight公司的测试设备完成,特此声明。
笔者2021年9月
商品简介
本书结合笔者多年从业经验,从产业技术发展的角度对高速数字信号与光电互联的基本概念、关键技术进行生动讲解,同时结合现代计算机、移动终端、AI计算、数据中心、电信网络中**的接口技术,对其标准演变、测试方法等做了详细介绍,以便于读者理解和掌握高速数字与光电互联的基本原理、实现技术、测试理念及其发展趋势。 本书可供从事服务器、交换机、移动终端、光模块、光通信设备、高速数字芯片、高速光电器件的研发和测试人员了解学习高速数字、光电互联的相关技术及测试方法,也可供高校电子信息类专业的师生做数字电路、信号完整性、光通信技术、光电器件方面的教学参考。
作者简介
李凯,资深技术顾问与高速测试技术专家,毕业于北京理工大学光电工程系,硕士学位。在通信及电子测量行业有20多年从业经验,现任是德公司技术支持经理、高速光通信及AI测试技术负责人。中国电子学会高级会员、ODCC开放数据中心协会专家、IMT-20205G承载标准协会成员,参与《400G光模块技术白皮书》《AI服务器技术白皮书》《5G承载光模块白皮书》等多个行业标准的编写和讨论。著有《高速数字接口原理与测试指南》《现代示波器高级应用》。在《国外电子测量技术》《中国集成电路》《通信世界》等专业杂志发表几十篇关于高速信号测量原理、测量方法的文章,并在IEEE、EDI-CON、人工智能与半导体国际论坛、光纤在线、讯石光通信、硅光论坛等行业会议上进行过上百次专业演讲。
目录
第1章数字信号基础
什么是数字信号(Digital Signal)
数字信号的上升时间(Rising Time)
数字信号的带宽(Bandwidth)
数字信号的建立/保持时间(Setup/Hold Time)
并行总线与串行总线(Parallel and Serial Bus)
单端信号与差分信号(Singleend and Differential Signals)
数字信号的时钟分配(Clock Distribution)
串行总线的8b/10b编码(8b/10b Encoding)
伪随机码型(PRBS)
传输线的影响(Transmission Line Effects)
数字信号的预加重(Preemphasis)
数字信号的均衡(Equalization)
数字信号的抖动(Jitter)
扩频时钟(SSC)
链路均衡协商(Link Equalization Negotiation)
PAM信号(Pulse Amplitude Modulation)
第2章数字测试基础
数字信号的波形分析(Waveform Analysis)
数字信号的眼图分析(Eye Diagram Analysis)
眼图的参数测量(Eye Diagram Measurement)
眼图的模板测试(Mask Test)
数字信号的抖动分析(Jitter Analysis)
数字信号的抖动分解(Jitter Separation)
串行数据的时钟恢复(Clock Recovery)
抖动测量本底(Jitter Measurement Floor)
相位噪声测量(Phase Noise Measurement)
PAM-4信号测试(PAM-4 Signal Measurement)
特征阻抗(Characteristic Impedance)
TDR测试(Time Domain Reflectometer)
传输线的建模(Transmission Line Modelling)
第3章USB简介与物理层测试
USB总线简介
USB3.x发送端信号质量测试
USB3.x的测试码型和LFPS信号
Type-C接口与PD测试
USB3.x的接收端容限测试
USB4.0简介
USB4.0的发送端信号质量测试
USB4.0的接收容限测试
USB电缆/连接器测试
第4章PCIe 简介与物理层测试
PCIe背景概述
PCIe4.0的物理层技术
PCIe4.0的测试项目
PCIe4.0的测试夹具和测试码型
PCIe4.0的发射机质量测试
PCIe4.0的接收端容限测试
PCIe5.0物理层技术
PCIe5.0发送端信号质量及LinkEQ测试
内容摘要
本书结合笔者多年从业经验,从产业技术发展的角度对高速数字信号与光电互联的基本概念、关键技术进行生动讲解,同时结合现代计算机、移动终端、AI计算、数据中心、电信网络中最新的接口技术,对其标准演变、测试方法等做了详细介绍,以便于读者理解和掌握高速数字与光电互联的基本原理、实现技术、测试理念及其发展趋势。
本书可供从事服务器、交换机、移动终端、光模块、光通信设备、高速数字芯片、高速光电器件的研发和测试人员了解学习高速数字、光电互联的相关技术及测试方法,也可供高校电子信息类专业的师生做数字电路、信号完整性、光通信技术、光电器件方面的教学参考。
主编推荐
"(1)全面覆盖通信、计算机、数据中心近期新前沿高速数字和光电互联技术。
(2)高速测试专家20年行业经验荟萃。
(3)《高速数字接口原理与测试指南》的升级版。(4)深入浅出,阐述高速数字与光电通信概念
(5)追本溯源,探究测试方法与测量原理精髓。
(6)图文并茂,剖析行业热点与前沿应用技术。
(7)娓娓道来,洞察光电互联与产业发展趋势。
"
精彩内容
第三章USB简介与物理层测试USB总线简介自1995年USB1.0的规范发布以来,USB(UniversalSerialBus)接口标准经过了20多年的持续发展和更新,已经成为PC和外设连接最广泛使用的接口。USB历经了多年的发展,从第一代的USB1.0低速
(LowSpeed)、USB1.1全速(FullSpeed)标准,逐渐演进到第2代的USB2.0高速(HighSpeed)标准和第3代的USB3.0超高速(SuperSpeed)标准。这些标准目前都已经得到广泛的应用。
后来,为了应对eSATA、ThunderBolt等标准对USB标准的威胁,USB协会又分别在2013年和2017年发布了USB3.1及USB3.2的标准。在USB3.1标准中新定义了10Gbps速率以及对TypeC接口的支持;在USB3.2标准中,又基于TypeC接口提供了对X2模式的支持,可以通过收发方向各捆绑2条10Gbps的链路实现20Gbps的数据传输。而最新的USB4.0标准已经于2019年发布,可以通过捆绑2条20Gbps的链路实现40Gbps的接口速率。
表3.1是USB各代总线的技术对比。
表3.1USB总线的发展性能特点USB2.0USB3.0USB3.1USB3.2USB4.0发布时间2000年2008年2013年2017年2019年最高接口速率480Mbps5Gbps(Gen1)10Gbps速率(Gen2)20Gbps(Gen2x2)40Gbps(Gen3x2)连接器TypeA/B/CTypeA/B/CTypeA/B/CTypeCTypeCRetimer(中继器)无定义无定义无定义支持支持2级编码方式无8b/10b128b/132b128b/132b128b/132b典型电缆长度5m3m1m1m有源电缆1m,0.8m,有源电缆发送端预加重无2阶预加重3阶预加重3阶预加重3阶(16种预设值)接收端均衡方式无CTLE(2种强度)CTLE(7种强度)+DFECTLE(7种强度)+DFECTLE(10种强度)+DFE从表3.1中可以看出,USB3.0、USB3.1、USB3.2、
USB4.0每一代的数据速率都有非常大的提升。需要注意的是,在USB3.1规范推出后,之前USB3.0中定义的5Gbps速率被称为Gen1速率,新定义的10Gbps被称为Gen2速率。而在2019年发布的USB4.0规范中,新增的20Gbps速率被称为Gen3速率。
USB3.0和之后的标准都采用了双总线架构(图3.1),即在USB2.0的基础上增加了超高速总线部分。超高速总线的信号速率达到5Gbps、10Gbps甚至20Gbps,采用全双工方式工作。以PC上最普遍使用的TypeA连接器为例,为了支持更高速率的信号传输,就在原有USB2.0的4根线(Vbus、Gnd、D+、D-)基础上新增加
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