摘  要： 高速背板是构建高性能数据平台的关键部件。目前热门的100G网络上单对差分线的数据速率已达到了25 Gb/s甚至更高。无论采用OIF组织制定的CEI-25G-LR背板规范还是IEEE组织制定的100GBase-KR4背板规范，面临的共同挑战是如何在这么高速率下提供背板应用场合需要的传输距离。当背板加工完成以后，需要进行一系列插入损耗、回波损耗、阻抗、串扰、信号传输眼图、传输误码率等，在系统调试阶段还需要对子卡发送的信号进行验证以排除可能的信号质量问题。本文对于100 Gb/s背板开发中可能遇到的挑战以及相应的测试方法进行了详细的介绍和讲解。

　　关键词： 100G；背板；CEI；100GBase-KR4

　　随着云计算和大数据概念的普及，人们对于数据中心的容量和数据交换速度提出了越来越高的要求，比如典型的Tbit交换机已经可以在一个机架内部提供10 Tb/s以上的数据交换能力。对于高速的数据交换设备来说，通常采用插卡式的机构来提高数据处理和传输能力，而内部各个板卡间有效的数据交换则有赖于高速的传输背板。在光背板技术还没有完全成熟的今天，电信号的传输技术仍然是主流的背板实施方案。典型的背板会采用20层以上的PCB叠层结构并承载上千对的高速差分走线。为了在有限的空间内提供更高速的数据交换能力，一个有效的方法就是提高每对差分线上的数据传输速率。

1 高速背板的演进

　　早期的背板采用千兆以太网、PCIE等作为数据交换的接口，每对差分线上的数据传输速率为1 G~

　　5 Gb/s。为了增加背板的传输能力，IEEE组织在2007年制定了802.3ap的背板以太网规范。在其中的10GBase-KR标准中，通过发送端复杂的预加重及接收端均衡器设置，可以只用一对差分线就实现10.3125 Gb/s信号传输。

　　为了提升背板的传输能力，OIF(Optical Internetworking Forum)组织于2011年发布了CEI（Common Electrical I/O）3.0的规范，其中的CEI-25G-LR（Long Range）标准是关于高速背板的互连规范。这个规范允许信号以19.9～25.8 Gb/s的速率传输27 inch的距离，当使用4对差分线同时传输时可以实现100 Gb/s左右的数据传输速率。

　　类似的，IEEE组织也在2014年发布了802.3bj标准，并定义了100GBASE-KR4的背板以太网接口规范。这个接口允许在单对差分线上传输25.78 Gb/s的数据速率，同样的4对差分线一起就可以提供100 Gb/s的以太网传输能力。关于更多802.3bj背板的模型参数可以从这里下载：http://www.ieee802.org/3/100GCU/public/channel.html。

2 100G背板的测试

　　对于100G背板的设计和测试人员来说，最大的挑战在于单对差分线上的信号速率已经高达25 Gb/s左右，而且经过两个子卡连接器后还要能在背板上传输27 inch或40 inch的距离。即使可以采用损耗更小的射频板材(如Panasonic Megtron 6或者Rogers RO4350B板材)和高性能的连接器(如Molex的 ImpactTM系列，TE的STRADA Whisper系列)，要严格控制传输通道的损耗和阻抗连续性仍然是个很大的挑战。

　　对于高速背板的设计和测试人员来说，要确保设计的背板可以可靠地应用于100 Gb/s（4×25 Gb/s）的信号传输场合，需要进行以下项目的测试：

　　(1)背板的插入损耗、回波损耗、阻抗、串扰的测试；

　　(2)背板传输眼图和误码率测试；

　　(3)发送端信号质量的测试。

　　下面将对各测试项目进行详细介绍。

　　2.1 背板的插入损耗、回波损耗、阻抗、串扰的测试

　　对于大的背板来说，相距最远的两个连接器间的PCB走线距离可能超过20 inch以上，这时候高频电信号的损耗会非常大。为了控制背板的损耗，OIF和IEEE的规范里对于背板的损耗都有严格的要求。

　　要对背板的插入损耗等频域参数进行测试，最常用的工具就是矢量网络分析仪（VNA，Vector Network Analyzer）。矢量网络分析仪由于覆盖频率高，测试精度和重复性好，测试功能多，是射频微波领域进行器件测试最常用的工具。近些年人们开始把矢量网络分析仪用于高速数字信号完整性分析及建模领域，并取得了丰硕成果。如今矢量网络分析仪已经和高速示波器、误码仪等一起成为每个高速信号完整性实验室的必备工具。图1是借助于相应的测试夹具对一块高速背板进行测试的例子。

　　背板参数的测试结果通常用S参数来描述。对于一对差分的传输线来说，其4个端口相互之间一共有16个单端的S参数。分析时为了方便，会把这16个单端的S参数通过矩阵运算转换为对差分线来说更有意义的16个差分的S参数。这16个S参数完整地描述了这对差分线的插入损耗、回波损耗、共模辐射、抗共模辐射能力等各方面的特性，比如说SDD21参数就反映了差分线的插入损耗特性、SDD11参数就反映其回波损耗特性。

　　多个端口间复杂的信号反射、传输、串扰等S参数测试需要用到多端口的矢量网络分析仪。图2是用Keysight公司的PLTS物理层测试系统控制多端口矢量网络分析仪对一段27英寸背板走线进行测试得到的4个差分S参数结果，其中包括了正向插入损耗SDD21、反向插入损耗SDD12、正向回波损耗SDD11以及反向的回波损耗SDD22。

　　除了S参数的测试，也可以通过反FFT变换，把S参数变换到时域得到被测件的时域传输曲线，比如被测件的TDR(Time Domain Reflection，时域反射)曲线。图3是根据矢网测试到的参数计算得到的一段17 inch背板走线的阻抗变化曲线，这条曲线直观反映了被测件上的阻抗变化情况。

　　除了单一线对上的插入损耗、回波损耗以及阻抗的测试以外，由于背板上传输线的数量很多，密度很高，线对间的串扰在高频的情况下也比较严重。串扰分为近端串扰(NEXT：Near-end Crosstalk)和远端串扰(FEXT：Far-end Crosstalk)，近端串扰指的是对同侧其他差分对的干扰，而远端串扰指的是对另一侧其他差分对的干扰。串扰的测试通常需要更多端口的矢量网络分析仪。比如一对差分线的测试占用4个端口，两对差分线间的串扰测试就需要用到8个端口。使用更多端口的矢网做串扰测试是最方便的，因为在测试软件的控制下可以很快完成多对差分线间的NEXT和FEXT测试。如果出于成本的考虑，也可以仅用4个端口来实现串扰测试，这时需要把没有连接矢网的端口用负载进行端接，这样做的缺点是测试中需要多次手动更改电缆和负载的连接。

　　串扰的产生很多是由于差分线的不对称以及连接器、过孔处的信号辐射造成的，因此改善串扰需要尽量保证走线的对称性以及关键器件的良好屏蔽。

　　2.2 背板传输眼图和误码率测试

　　S参数和阻抗等信息已经可以帮助设计人员对背板的性能参数有了深入的了解，但是这些参数还不太直观。比如频域参数和阻抗偏差对于最终的信号质量的影响究竟有多大是很多数字工程师比较关心的，这就需要通过观察实际信号的传输情况来了解背板的质量。

　　OIF组织的大量关于25G背板的仿真分析互操作性实验表明：通过采用优良的PCB板材、连接器，并在发送端进行合适的预加重设置，是有可能在接收端得到一个将近张开的眼图的（眼高大约30 mV左右）。如果背板设计达到了这个目的，那么通过接收芯片里的均衡器可以进一步改善信号从而得到更好的眼图质量。(参考资料：OIFCEI25LRovervihttp：//grouper.ieee.org/groups/802/3/100GCU/)。

　　因此，要进行背板的的传输信号能力的测试，首先需要一台高性能的带多阶预加重能力的信号发生器，用于在背板的一端产生高速的串行信号，然后在另一端用高带宽的示波器对传输过来的信号进行测试。图4是用Keysight公司的N4960A高速串行误码仪和DSA90000X系列高带宽示波器进行背板传输眼图质量测试的例子。N4960A误码仪的N4951B-D32数据发送模块可以提供高达32 Gb/s的带5阶预加重的信号；而DSA-90000X系列示波器可以提供32 GHz的实时测量带宽和80 G/s的采样率，如果需要更高测量带宽，还可以使用更高带宽的Z系列实时示波器或者DCA-X系列采样示波器。

　　很多支持25G背板传输的芯片都支持至少三阶以上的预加重设置。预加重技术对信号改善的效果取决于预加重的幅度的大小和阶数。预加重参数的设置需要和该信号传输通道的损耗特性相匹配才能得到比较好的信号改善效果，如果补偿过头，得到的眼图有可能会比不使用相关技术时更加恶劣。为了帮助设计人员更好地调整预加重系数，N4960A的控制软件里还提供了自动的计算工具。在这个工具里，测试人员可以导入通道的S参数文件，并根据插损数据自动计算最合适的预加重系数，这大大简化了预加重调整带来的困扰。

　　如果背板设计的插损曲线比较平滑，预加重对于线路损耗的补偿效果会比较好。因此背板设计中除了要控制插损以外，对于阻抗的连续性要求也比较高，以保证插损曲线尽可能平滑。

　　进一步地，很多用户还希望借助于误码仪测试一下背板的实际传输误码率。真实的误码率测试应该在串扰存在的情况下进行测试，而且由于实际情况下多对差分线上的信号不一定有明确的相位关系，所以在进行误码率测试时一定要在相邻的其他通道上加上相位不相关的串扰信号。

　　2.3 发送端信号质量的测试

　　当进行完背板的S参数及传输能力的测试后，可以说对于背板设计的好坏已经有了比较客观全面的了解。但是在配合实际的子卡运行时，仍然有可能会出现传输误码率过大或者链路不稳定的情况。为了定位问题，通常需要对子卡发出的信号质量进行验证。信号质量的测试工具主要是高带宽的示波器，而要保证对这么高速率信号的正确测试需要示波器有足够高的带宽(通常需要40 GHz以上)以及足够低的本底抖动(最好小于100 fs rms)和噪声。

　　同时，这些信号质量项目的测试完全依赖手动完成会非常耗时耗力，测试人员对于规范理解和仪表设置的不同也会造成很多测量结果的不确定性。为了简化测试，Keysight公司专门提供了针对CEI3.1的自动测试软件N1012A和针对100GBase-KR4的自动测试软件N8829A。

　　N1012A是针对CEI3.1规范的信号质量自动测试软件，可以运行在Keysight公司的DCA-X 86100D采样示波器的平台上，支持CEI-25G-LR、CEI-28G-SR/VSR等接口规范的一致性测试。DCA-X 86100D是高性能的采样示波器主机，可以灵活换插不同的测量模块。比如其86108B模块可以提供差分50 GHz的测量带宽，并内置到32 Gb/s的时钟恢复及精密时基，固有抖动仅50 fs，是做高速数字信号质量测试最理想的工具；如果需要更高的测量密度，其N1045A模块可以实现在一个机箱内提供最多16个高达60 GHz的电测量通道；如果需要进行光信号的测试，还可以插入86105C或86105D等高性能的光测量模块。在测试过程中，测试人员首先需要根据测试软件的设置向导选择测试标准、测试项目，然后软件会根据当前的测试项目提示连接图以及需要被测件发出的测试码型，一切正常后软件会自动进行波形参数的测试和计算，并生成相应的测试报告。图5是DCA-X采样示波器、N1012A软件的设置界面和支持的测试参数。

　　而N8829A是针对100GBase-KR4的信号质量自动测试软件，可以运行在Keysight公司的90000X/Q/Z系列实时示波器平台上。如果测试人员对于信号调试和触发能力有更多要求，实时示波器是个很好的选择。Keysight公司的Z系列实时示波器可以提供高达63 GHz的带宽和160 G/s的实时采样率，其固有抖动和底噪声为业内最好水平。

3 总结

　　通过前面的介绍可以看出100 Gb/s背板上单对差分线的信号传输速率高达25 Gb/s甚至更高。对其插入损耗、回波损耗、阻抗、串扰的测试可以借助于多端口的矢量网络分析仪以及信号完整性分析软件；对其信号传输眼图、传输误码率等传输能力的测试可以借助于高性能带预加重的误码仪以及高带宽、底噪声的示波器；对其子卡发送的信号质量的测试验证可以借助于高性能的采样示波器或者实时示波器并配合相应的信号一致性测试软件。