Анализ целостности сигналов для высокоскоростных интерфейсов передачи данных

Измерительная задача

Вам необходимо определить характеристики высокоскоростного интерфейса передачи данных, такого как PCIe, USB, SATA или HDMI™. Целостность сигнала является важной частью этих характеристик, и одна из проблем здесь — правильное подключение испытуемого устройства (ИУ) к контрольно-измерительному оборудованию. Это может быть осциллограф, анализатор спектра или векторный анализатор цепей. Как правило, рассматриваемые интерфейсы предназначены для потребительских товаров и имеют недорогие коммерческие разъемы с неопределенными высокочастотными характеристиками, в отличие, например, от разъема SMA. В качестве моста между интерфейсами и контрольно-измерительным оборудованием необходимо использовать измерительную оснастку, но она оказывает определенное влияние на измерение, пренебрегать которым нельзя. Можно было бы использовать методы компенсации/исключения электрических цепей, но определение характеристик измерительной оснастки представляет собой сложную задачу.

Решение компании Rohde & Schwarz

Осциллографы R&S®RTP и R&S®RTO2000 способны выполнять углубленный анализ целостности сигналов. Анализ джиттера обеспечивает разбивку по ключевым параметрам. Все параметры, за исключением коэффициента битовых ошибок (BER), можно просматривать во временной области в виде трека, в частотной области в виде спектра, а также наблюдать их статистические значения в виде гистограммы.

Кроме того, опция расширенного анализа джиттера R&S®RTP-K133/RTO-K133 предоставляет две новые функции, которые расширяют границы анализа за пределы этих хорошо известных параметров джиттера:

• Синтетическая глазковая диаграмма: позволяет исследовать влияние определенных параметров джиттера на глаз данных
• Внутреннее измерение переходной характеристики канала передачи: включает зависящие от данных характеристики ИУ, измерительной оснастки и кабелей

Переходная характеристика имеет важно значение, потому что она описывает влияние измерительной оснастки на анализ целостности сигнала. На основе переходной характеристики можно выполнять различные измерения, чтобы оценить влияние измерительной оснастки на анализ целостности сигнала.

Применение

В качестве примера в настоящих рекомендациях по применению описан анализ дифференциального сигнала (8,125 Гбит/с, PRBS31), генерируемого при тестировании битовых ошибок (BERT) с синхронизацией с расширенным спектром (SSC) и без добавления джиттера. Сигнал распространяется по длинной дорожке платы PCIe Gen4 ISI (PCIe-VAR-ISI). Межсимвольные помехи (ISI), вносимые платой, были доминирующим вкладом в джиттер. Данная конфигурация позволяет осуществить проверку переходной характеристики с помощью векторного анализатора цепей (ВАЦ), что показано в конце документа.

Важно анализировать джиттер таким же образом, каким приемник получал бы и синхронизировал данные. Таким образом, осциллограф захватывает дифференциальные данные передачи и использует аппаратное восстановление тактовой частоты передачи данных (CDR) для запуска по сигналу данных (см. рисунок 1). Обратите внимание на высокую скорость обновления данных (122 000 осциллограмм/с) высокопроизводительного осциллографа R&S®RTP.

Перед проведением анализа для времени сбора данных должно быть установлено значение, учитывающее минимальное разрешение по частоте, необходимое для анализа периодического джиттера. Для достижения разрешения вплоть до частоты 40 кГц, находящейся в диапазоне импульсных источников питания (SMPS), и частоты дискретизации 40 млрд отсчетов/с, длина записи устанавливается равной 2 млн отсчетов (= 2 × (частота дискретизации)/(частота коммутации SMPS)) и, следовательно, время сбора данных — равным 50 мкс.

Алгоритм разложения джиттера анализирует дифференциальный канал как сигнал без возврата к нулю (NRZ). Необходимое значение CDR настроено с помощью схемы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) второго порядка с полосой пропускания 16 МГц.

Разложение джиттера на рисунке 2 показано в виде таблицы результатов, а статистические данные — в виде гистограмм (TJ, RJ, PJ, DDJ¹)), в которых, как и ожидалось, преобладает компонент DDJ. Кривая интенсивности отказов коэффициента BER показывает хорошее соответствие между измеренным и рассчитанным коэффициентом BER. Новым элементом этого разложения выступает оценка переходной характеристики, показанная в середине рисунка 2. Переходная характеристика является результатом воздействия идеальной скачкообразной функции на передаточную функцию канала. Неоткалиброванная измерительная оснастка будет неотъемлемой частью этой оценки.

¹ TJ: общий джиттер, RJ: случайный джиттер, PJ: периодический джиттер, DDJ: джиттер, зависящий от данных.

Пользователь имеет возможность настроить длительность переходной характеристики, используемую при оценке; в данном случае установлена длительность 75 UI. Установка длительности переходной характеристики регулируется тремя принципами:

• Чем выше длительность переходной характеристики, тем продолжительней время вычисления.
• Длительность переходной характеристики должна быть выше, чем память канала. Для более подробного анализа предпочтительна длинная переходная характеристика.
• Длительность выполняемого шаблона должна быть больше, чем длительность переходной характеристики.

Пользователь может анализировать переходную характеристику с помощью знакомых ему инструментов, таких как курсорные и автоматизированные измерения. В данном примере показано измерение времени нарастания с помощью курсоров. Измерение времени нарастания tr позволяет оценить полосу пропускания fB канала, используя приближенное выражение fB = 0,35 ⁄ tr , которое справедливо для однополюсного фильтра нижних частот.

Поэтому представляет интерес более подробный анализ в частотной области. Такие особенности, как выброс, спад и звон передаточной функции, также видны в частотной области.

В дополнение к гистограммам и расчетной переходной характеристике на рисунке 3 показана соответствующая передаточная функция переходной характеристики в частотной области в виде модуля (см. маркер M1) и фазы (см. маркер M2). Чтобы рассчитать передаточную функцию в частотной области по переходной характеристике, в математическом меню предусмотрен ряд соответствующих функций [1]:

• Step2FreqRespNormMag(<channel>,<points>)
• Step2FreqRespNormPhi(<channel>,<points>,<delay>)

Как и ожидалось, модуль функции демонстрирует частотно-зависимое затухание, вызванное главным образом диэлектрическими потерями. Скин-эффект невелик. Фаза показывает частотную дисперсию кривой. Для обоих графиков значения выше 16 ГГц являются шумом из-за ограниченной полосы пропускания канала. На частоте 8,125 ГГц наблюдается артефакт, вызванный частотой передачи данных.

^[1] A. M. Nicolson, «Forming the fast Fourier transform of a step response in time-domain metrology» (Получение быстрого преобразования Фурье переходной характеристики при измерениях во временной области), Electronic Letters, Volume 9, Issue 14, p. 317, 1973.

Представленное измерение сравнивалось с измерением с помощью ВАЦ. В момент внесения платой PCIe Gen4 ISI межсимвольных помех измерялась соответствующая дорожка (дифференциал), при этом передаточная функция и дифференциал/дифференциал параметра рассеяния (S21 DD) сравнивались в частотной области (см. рисунок 4).

Оба измерения показывают хорошее соответствие друг другу в диапазоне от 0 до 16 ГГц. Отклонение модуля составляет менее 1 дБ, а фазы — менее 5°.

Заключение

Осциллографы R&S®RTP и R&S®RTO2000 анализируют цифровые высокоскоростные сигналы на предмет целостности сигнала. Эти осциллографы точно измеряют хорошо известные компоненты джиттера, такие как TJ, RJ, PJ и DDJ. Они также позволяют проанализировать передаточную функцию, которая является причиной DDJ-джиттера. Раздельное определение характеристик отдельных компонентов тракта передачи является сложной задачей по причине доступности, а зависимость выходного сопротивления формирователя сигналов от частоты обычно неизвестна. Таким образом, внутреннее измерение передаточной функции является ключевым элементом для понимания источников возникновения DDJ.