作者丨鼎陽(yáng)科技 張賀陽(yáng)

什么是PRBS碼型

PRBS的全稱是Pseudo-Random Binary Sequence，也就是偽隨機(jī)二進(jìn)制序列。這是一種通過確定性算法生成的序列，但是很難預(yù)測(cè)，所以它的統(tǒng)計(jì)結(jié)果類似于真正的隨機(jī)序列。

我們形容不同的PRBS碼型時(shí)，通常用PRBSk或PRBS-k符號(hào)（例如PRBS5或PRBS-5）來指示不同序列的大小。在序列中最大有N=2k-1個(gè)比特?cái)?shù)，因此在PRBS-k中，k表達(dá)了序列中唯一的數(shù)據(jù)字節(jié)的長(zhǎng)度。如果將N位數(shù)據(jù)分割成長(zhǎng)度為k的每一種可能的字段，那么除了全是0的字之外，我們可以找到k位二進(jìn)制字的每一種可能的0和1的組合。

我們以PRBS-4為例子，可以看出除了0000的狀態(tài)外，剩下的15個(gè)狀態(tài)都輸出過：

已知PRBS-4的生成多項(xiàng)式為1+X3+X4

這里1代表輸入，計(jì)算移位寄存器的第3位和第4位的異或計(jì)算結(jié)果作為下一個(gè)狀態(tài)的輸入，將第四位作為輸出，假設(shè)我們令多項(xiàng)式的狀態(tài)從1111開始，則生成的隨機(jī)碼序列為：

得到結(jié)果111100010011010。

以此類推，最后的幾個(gè)四比特字節(jié)繞到序列的另一端來補(bǔ)全，這樣就除去0000狀態(tài)外，該序列在剩下的15個(gè)狀態(tài)中循環(huán)切換的序列。其中不同的k對(duì)應(yīng)的生成多項(xiàng)式也是不同的，比如：

每一個(gè)多項(xiàng)式都規(guī)定了反饋的位數(shù)，如果選用其他的情況會(huì)怎樣？我們還以PRBS-4為例，如果選擇第二位和第四位的異或作為反饋，得到的結(jié)果為111001111，可以看到，只經(jīng)過了6個(gè)狀態(tài)就已經(jīng)回到了初始狀態(tài)，隨機(jī)性要更差。

當(dāng)PRBS-4信號(hào)在500M比特率的速度下運(yùn)行時(shí)，使用頻譜儀掃描的結(jié)果如下圖所示：

圖1-1 使用頻譜儀觀察PRBS信號(hào)

從圖中可以看到，比特率500MHz的PRBS信號(hào)能量集中在500MHz以內(nèi)，由多條線狀譜構(gòu)成。在頻率譜的主葉中，含有15根譜線（包括DC的0Hz）。每根譜線之間的間距為33.333MHz（500MHz÷15）。

PRBS序列的頻譜分量取決于比特率和序列長(zhǎng)度，通常，PRBS-k序列的長(zhǎng)度為2k-1位。在給定的比特率，頻譜分量會(huì)以等間隔出現(xiàn)，間隔大小為比特率除以序列長(zhǎng)度。

為了觀察除了主葉之外的頻譜成分對(duì)信號(hào)帶來的影響，我們使用示波器觀察信號(hào)，如下圖所示。在不同的帶寬限制下觀察信號(hào)。可以觀察到，為了獲得一個(gè)信號(hào)完整性較好的波形，至少要包含兩組諧波分量，也就是信號(hào)路徑的模擬帶寬最好大于比特率的三倍。這對(duì)于測(cè)試高速數(shù)字接口信號(hào)非常重要。

圖1-2 示波器帶寬為1.5GHz的測(cè)試結(jié)果

圖1-3 示波器帶寬為1GHz測(cè)試結(jié)果

圖1-4 示波器帶寬為500MHz的測(cè)試結(jié)果

PRBS碼型的應(yīng)用

在真實(shí)的使用場(chǎng)景中，數(shù)據(jù)流是完全隨機(jī)的，PRBS碼型與實(shí)際場(chǎng)景的數(shù)據(jù)流很相似，因此我們常用PRBS來模擬真實(shí)的數(shù)據(jù)流。

在信號(hào)完整性測(cè)試中，為了驗(yàn)證通道的性能，我們通常需要發(fā)送PRBS碼型來觀察輸出的信號(hào)質(zhì)量，特別是對(duì)于眼圖測(cè)試、誤碼率和抖動(dòng)容限測(cè)試。

PRBS-7是目前10Gbps以下的串行總線中最常用的測(cè)試碼型。因?yàn)镻RBS-7的碼型與8b/10b NRZ編碼的數(shù)據(jù)流很相似，因此，在PCIe、SATA、100base-TX、SAS等采用8b/10b編碼的串行總線中，PRBS-7是最常用的測(cè)試碼型。