作者丨鼎陽科技 張賀陽

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，所以它的統(tǒng)計結(jié)果類似于真正的隨機(jī)序列。

我們形容不同的PRBS碼型時，通常用PRBSk或PRBS-k符號（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個比特數(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)的長度。如果將N位數(shù)據(jù)分割成長度為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個狀態(tài)都輸出過：

已知PRBS-4的生成多項式為1+X3+X4

這里1代表輸入，計算移位寄存器的第3位和第4位的異或計算結(jié)果作為下一個狀態(tài)的輸入，將第四位作為輸出，假設(shè)我們令多項式的狀態(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個狀態(tài)中循環(huán)切換的序列。其中不同的k對應(yīng)的生成多項式也是不同的，比如：

每一個多項式都規(guī)定了反饋的位數(shù)，如果選用其他的情況會怎樣？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信號在500M比特率的速度下運行時，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

從圖中可以看到，比特率500MHz的PRBS信號能量集中在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度，通常，PRBS-k序列的長度為2k-1位。在給定的比特率，頻譜分量會以等間隔出現(xiàn)，間隔大小為比特率除以序列長度。

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

圖1-2 示波器帶寬為1.5GHz的測試結(jié)果

圖1-3 示波器帶寬為1GHz測試結(jié)果

圖1-4 示波器帶寬為500MHz的測試結(jié)果

PRBS碼型的應(yīng)用

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

在信號完整性測試中，為了驗證通道的性能，我們通常需要發(fā)送PRBS碼型來觀察輸出的信號質(zhì)量，特別是對于眼圖測試、誤碼率和抖動容限測試。

PRBS-7是目前10Gbps以下的串行總線中最常用的測試碼型。因為PRBS-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是最常用的測試碼型。