[米联客-XILINX-H3_CZ08_7100] FPGA_GTX光通信连载-01利用IBERT进行GTX信号眼图测试

本帖最后由 FPGA课程于 2024-9-21 15:07 编辑

软件版本：VIVADO2021.1
操作系统：WIN10 64bit
硬件平台：适用 XILINX A7/K7/Z7/ZU/KU 系列 FPGA
实验平台：米联客-MLK-H3-CZ08-7100开发板
板卡获取平台：https://milianke.tmall.com/
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1概述随着数字通信技术的进一步发展，各类数据的传输方案对带宽的需求迅猛增长，传统的并行总线的数据传输方式已经远远不能满足如万兆以太网、PCI-Express、SRIO、SFP等技术方案的需求，这个时候，促使高速串行数据开始被广泛地使用，Xilinx系列FPGA内部集成了能实现高速数据收的发串并/并串转换、预加重、接收均衡、CDR、8B/10B线路编解码、弹性buffer、通道绑定和时钟修正等模块，可极大地减小时钟扭曲、信号衰减和线路噪声对接收性能的影响，从而使传输速率进一步提高，可用于实现万兆以太网、PCI-Express、SRIO、SFP等常用接口。在内嵌高速串行接口技术的FPGA被大量应用的同时，高速串行的信号质量测试也变得越来越重要，通常用示波器观察信号波形、眼图、抖动来衡量信号的质量。串行信号的抖动，反映在时域上，信号的稳定时间会变小，眼图宽度会变窄；信号的噪声，反映在信号幅度上，眼图高度变小。通俗点讲眼图的眼睛张开得越大，越端正，表示高速串行数据传输的越稳定。
为了方便用户使用，vivado中提供了一个IBERT(IntegratedBitErrorRatioTester)的测试工具用于对XilinxFPGA芯片的高速串行收发器进行板级硬件测试。通过IBERT我们可以直接获取误码率，观察眼图，调节串行收发器的参数，从而有助于判断可能存在的问题，便于验证硬件的稳定性和信号完整性。
2电路分析
2.1SFP+接口

2.2测试工具
1）、万兆SFP+高速堆叠线缆（SFP-10G-DAC无源铜缆），传输距离0.5-7M

2）、万兆单模双芯LC-LC光纤线（3m）+万兆单模光模块，具体参数如下

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3）、万兆多模双芯LC-LC光纤线（3m）+万兆多模光模块，具体参数如下

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3测试原理
IBERT中的BERT是BitErrorRatioTest的缩写，指比特出错概率测试，简而言之就是误码率测试。Vivado中IBERT工具的测试原理是通过收发器由外部回环进行自收自发而实现。就是将同一组收发器的TX和RX进行短接，TX发送端通过发送某种特定序列的数据流，在RX接收端接收后，通过比对发送和接收的数据，从而得出误码率和眼图信息，来验证开发板GTX部分工作的稳定性和可靠性。
4IBERT设置
在vivado的IPCatalog中找到IBERT7SeriesGTX这个IP核。

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4.1万兆10.3125G速率
如下图所示，IBERT测试协议选择Custom1，GTX参考时钟频率选择156.25MHz，只需要测试与SFP+连接的4组GTX，所以GTXQuad选择1。传输速率设置为为10.3125Gbps，PLL类型选择QPLL0即可。

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由于与SFP连接的GTX都位于BANK110，所以在QUAD_110中选择使能协议。在MZ7100FC开发板中，从上面的硬件电路分析中可以看到，底板可编程时钟芯片输出的差分时钟是与GTX_110_CLKP1连接，所以参考时钟要选择为MGTREFCLK1110,下图所示。
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不妨将GTX输入的156.25MHz的时钟同时作为IBERT内部逻辑的工作时钟，这样就可以不使用额外的外部时钟，如下图所示。当然，用户也可以将该时钟设置为外部时钟，例如通过FPGA板卡的时钟晶振提供，大家可以自行尝试。

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点击OK，完成IBERTIP核配置。
4.2千兆1.25G速率
如下图所示，IBERT测试协议选择Custom1，GTX参考时钟频率选择125MHz，只需要测试与SFP+连接的4组GTX，所以GTXQuad选择1。传输速率设置为为1.25Gbps，PLL类型选择QPLL0即可。
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由于与SFP连接的GTX都位于BANK110，所以在QUAD_110中选择使能协议。在MZ7100FC开发板中，从上面的硬件电路分析中可以看到，底板可编程时钟芯片输出的差分时钟是与GTX_110_CLKP1连接，所以参考时钟要选择为MGTREFCLK1110,下图所示。
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不妨将GTX输入的125MHz的时钟同时作为IBERT内部逻辑的工作时钟，这样就可以不使用额外的外部时钟，如下图所示。当然，用户也可以将该时钟设置为外部时钟，例如通过FPGA板卡的时钟晶振提供，大家可以自行尝试。
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点击OK，完成IBERTIP核配置。

5使用exampledesign
IBERT的exampledesign稍作修改就可以直接使用对GTX进行测试。
在IBERTIP核配置完成后，右击打开exampledesign工程。
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由于开发板的SFP屏蔽笼的tx_disable引脚都默认接了上拉电阻。要使收发回环测试可以正常进行，必须要将tx_disable引脚拉低。因此，在exampledesign的顶层模块，添加2个sfp_tx_disable引脚，且均置为0即可。如下图所示。
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然后，在xdc文件中添加sfp_tx_disable引脚的约束即可，如下图所示。注意：不同的开发板管脚定义不一样

#sfp_tx_disable
set_property PACKAGE_PIN Y20 [get_ports {sfp_tx_disable[0]}]
set_property PACKAGE_PIN AB20 [get_ports {sfp_tx_disable[1]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {sfp_tx_disable[0]}] set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {sfp_tx_disable[1]}]

复制代码

接着，编译工程，生成bit文件即可。1.25G和10.3125G的exampledesign修改方法相同。
6硬件连线
ibert测试需要使用万兆光模块或者万兆电缆。使用单根万兆光纤或者万兆电缆形成回环，我们使用电缆将两个SFP+通道的TX和RX短接,或者使用光纤将光模块的TX和RX短接。
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使用电缆进行双通道回环

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使用光纤进行单通道回环

7GTXIBERT测试
7.1 10.3125G测试
测试10.3125G,需要将GTX的参考时钟提前设置为156.25MHZ，设置完成后，给开发板上电，在vivado中打开hardwaremanager，将刚才生成的bit文件和ltx文件下载到开发板中。下载完成后，出现如下图所示的界面。
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点击auto-deteclinks,出现如下图所示的界面。点击Reset按钮，使IBERT进行复位，可以看到此时的Errors变为0，代表接收端没有检测到错误。由于测试使只连接了2路GTX，因此这里只显示出了当前所使用的GTX链路。其他没有建立收发环路的GTX并没有显示。
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当然，用户也可以手动将其他没有连接的GTX加到当前的显示栏中，点击如下图所示按钮。
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然后，将同1个GTX对应的TX和RX建立link，如下图所示。
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添加完成后如下图所示。点击OK即可。
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随后显示框中出现了这2对没有连接的GTX，状态显示为“NoLink”，如下图所示。
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如下图所示，经过长时间测试，可以发现Errors一直为0，这代表，测试过程中没有出现任何误码，这说明板级层面的GTX硬件工作稳定。
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当前测试使用的数据为7bit的伪随机序列。
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在测试进行时用户也可以修改测试数据类型，例如PRBS23-bit，PRBS7-bit等等，接收与发送所使用的数据类型必须完全一致，修改完成后，务必点击Reset按钮，复位Errors为0。如下图所示。
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误码率可以从数学统计的角度判断GTX的硬件稳定性，vivado还提供了一种更直观的方式来观察GTX的信号完整性，那就是眼图。首先，点击如下图所示按钮。
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出现如下界面，所有设置保持默认即可,当然这边可以选择link的通道，然后点击OK。

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此时vivado开始进行眼图扫描和生成，用户需要稍等片刻，等到Progress进度为100%时，眼图扫描过程便结束。
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vivado生成的眼图如下图所示。
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从信号完整性的角度来看，眼图中间的蓝色区域越大，GTX所对应的PCB高速电路的信号完整性越好。

7.2 1.25G测试
这边的测试方法和上述一致，要注意的是1.25Gbps传输的参考时钟是125MHZ，板卡需要调节对应的时钟，测试步骤这边就不再赘述，下面给出对应的测试记录，可以看到这边的openUI%达到了87.69%，数据传输信号非常好。

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