Автоматизированное решение для испытаний внутренних и внешних кабелей и разъемов в соответствии со спецификациями PCIe 5.0 и 6.0

Измерительная задача

Вместе с ростом вычислительных мощностей и быстродействия запоминающих устройств в современных центрах хранения и обработки данных также увеличиваются скорости передачи данных по шине PCI Express (PCIe). При скоростях 32 ГТ/с (PCIe 5.0) и 64 ГТ/с (PCIe 6.0) возникают недопустимо высокие вносимые потери в проводниках печатной платы. По этой причине для передачи высокоскоростных сигналов PCIe все чаще применяются кабельные жгуты, обходящие печатную плату. Таким образом можно значительно снижать вносимые потери и увеличивать расстояния между корневым комплексом PCIe и оконечными устройствами PCIe без превышения заданных для каналов предельных значений вносимых потерь, обратных потерь, перекрестных помех и фазового сдвига.

Выпущенные организацией PCI-SIG спецификации электрических кабелей и разъемов CopprLink для внешних и внутренних подключений в PCIe 5.0 и 6.0 определяют стандартные конфигурации кабелей и разъемов для внутренних кабелей (внутри устройств) и внешних кабелей (между устройствами), а также соответствующие параметры и предельные значения для проведения испытаний на соответствие стандартам. Указанные в спецификациях параметры, как правило, также применяются к индивидуальным кабельным жгутам, при этом предельные значения настраиваются в соответствии с критериями прохождения или непрохождения испытаний. Испытания кабелей PCIe связаны с решением множества сложных задач, поэтому для обеспечения эффективных и надежных испытаний требуется мощная автоматизация.

Соединение PCIe между корневым комплексом и оконечным устройством состоит из нескольких линий, каждая линия содержит один дифференциальный сигнальный тракт для передачи и один дифференциальный сигнальный тракт для приема. Размерность линий x4, x8 или x16 означает наличие 8, 16 или 32 дифференциальных сигнальных трактов, для которых требуются измерения 32, 64 или 128 портов соответственно. Согласно спецификациям электрических кабелей и разъемов CopprLink для внешних и внутренних подключений в PCIe 5.0 и 6.0 необходимы испытания следующих параметров: вносимые потери (IL), обратные потери (RL), перекрестные помехи на ближнем конце (NEXT) с PowerSum NEXT (PSNEXT), перекрестные помехи на дальнем конце (FEXT) с PowerSum FEXT (PSFEXT), эффективный фазовый сдвиг внутри пар и фазовый сдвиг между линиями. Спецификации также определяют суммарные вносимые потери (iRL) и вносимые компонентом суммарные перекрестные помехи на ближнем и дальнем конце (ccICN NEXT и ccICN FEXT) как критерии для отклонения от общих правил в случаях нарушения соответствующих предельных линий.

Для полного испытания кабелей x4, x8 или x16 количество требуемых 4-портовых измерений составляет 64, 256 или 1024 соответственно. Во избежание ошибок при измерениях перекрестных помех необходимо закрывать неиспользуемые порты.

Для кабельных жгутов и разъемов с передачей PCIe в боковых полосах частот сигналов количество требуемых измерительных портов и измерений может быть еще выше. Здесь решающее значение приобретает автоматизация испытаний, поскольку ручные измерения требуют существенных затрат времени и могут быть ошибочными при неправильных подключениях.

Применение

Измерения кабелей PCIe 5.0 и 6.0 обычно включают в себя следующие шаги:

• Точное моделирование и компенсация цепей измерительной платы:
  согласно спецификации опорная плоскость должна находиться вблизи кабельного разъема на измерительной плате. Для каждого ввода необходимо точно определить характеристики и выполнить компенсацию цепей, т. е. математическим путем удалить его из результатов испытаний. Компенсация цепей с коррекцией импеданса требуется для точного моделирования каждого ввода на измерительной плате с его особым профилем импедансов, чтобы обеспечить точность измерений.
• Калибровка многопортовой установки:
  для испытаний конфигураций кабелей PCIe x4, x8 или x16 требуются измерительные установки с 32, 64 или 128 портами. При включении в испытания сигналов, передаваемых в боковых полосах частот, требуемое количество портов увеличивается. Калибровка такой установки может быть очень трудоемкой и подверженной ошибкам процедурой.
• Измерение всех сквозных трактов и трактов перекрестных помех:
  для испытаний конфигураций кабелей PCIe x4, x8 или x16 требуются в общей сложности 64, 256 или 1024 4-портовых измерения. При включении в испытания сигналов, передаваемых в боковых полосах частот, это количество увеличивается. Автоматизация испытаний помогает предотвращать ошибки по причине неправильных подключений и эффективно проводить измерения.
• Постобработка и генерирование отчета:
  для точного анализа результатов согласно критериям прохождения или непрохождения испытаний в протоколе испытаний также требуется расчет показателей iRL и ccICN.

Решение компании Rohde & Schwarz

Компания Rohde & Schwarz предлагает полностью автоматизированное испытательное решение, в котором применяются векторные анализаторы цепей Rohde & Schwarz, открытые модули коммутации и управления R&S®OSP320 и ПО для автоматизации испытаний R&S®ZNrun. Наше решение позволяет проводить испытания на соответствие спецификациям электрических кабелей и разъемов CopprLink для внешних и внутренних подключений в PCIe 5.0 и 6.0. Кроме того, решение можно легко адаптировать согласно конкретным требованиям к проведению испытаний на соответствие для индивидуальных кабелей PCIe 5.0 и 6.0. Расширение диапазона частот за пределы текущих требований PCIe 5.0 и 6.0 означает, что наше решение уже сегодня отвечает требованиям будущих спецификаций для кабелей и разъемов PCIe 7.0.

векторный анализатор цепей с мастером компенсации цепей для точного определения характеристик измерительных плат и компенсации цепей

Измерительная плата, как правило, содержит одну опорную структуру с 2 сквозными соединениями и многочисленные вводы. Все имеющиеся структуры расположены под различными углами относительно волоконного полотна измерительной платы, поэтому они характеризуются различными профилями импедансов. Для точного моделирования каждого ввода с его собственным профилем импедансов и обеспечения правильной компенсации цепей без фантомных явлений требуется точная коррекция импедансов.

На рисунке справа представлена точная коррекция импедансов с помощью мастера компенсации цепей Rohde & Schwarz на примере R&S®ZNx-K220. Здесь отображаются результаты для общей структуры испытуемого устройства и измерительной платы и для структуры испытуемого устройства после компенсации цепей. При сравнении результатов измерения отражений во временной области (TDR) видны различия между профилями импедансов опорной структуры с 2 сквозными соединениями, общей структуры A02_A03 и общей структуры A14_A15. Рассчитанная модель вводов измерительной платы для A14_A15 идеально соответствует профилю импедансов общей структуры A14_A15. Ввод полностью удаляется из результатов измерений, и в профиле импедансов испытуемого устройства после компенсации цепей отсутствуют фантомные явления.

В сочетании с опциями компенсации цепей R&S®ZNx-K210 (EZD), R&S®ZNx-K220 (ISD) и R&S®ZNx-K230 (SFD) векторные анализаторы цепей Rohde & Schwarz позволяют эффективно и с непревзойденной точностью организовать процессы определения характеристик и компенсации цепей измерительной платы с коррекцией импедансов. С помощью пошаговых инструкций мастер компенсации цепей помогает пользователю задать топологию испытуемого устройства, измерить опорные структуры для компенсации цепей (как правило, шаблоны с 2 сквозными соединениями), измерить общую структуру (испытуемое устройство и измерительные платы), рассчитать модели измерительных плат и компенсировать их цепи в результатах измерений. Благодаря интеграции в прибор можно немедленно просматривать и анализировать результаты измерений.

Шины PCIe 5.0 и 6.0 работают в диапазоне частот от 10 МГц до 24 ГГц с шагом перестройки 10 МГц для испытаний кабелей и разъемов. Однако диапазон частот до 40 ГГц, как правило, дает более высокое разрешение во временной области на этапе определения характеристик и компенсации цепей измерительной платы. Кроме того, он повышает точность рассчитываемой модели и поэтому рекомендуется для проведения испытаний. В представленной далее таблице перечислены рекомендуемые модели векторных анализаторов цепей и их конфигурации.

Предустановленные конфигурации коммутационных матриц с комплектами полужестких кабелей

Предлагаются предустановленные конфигурации коммутационных матриц с 24, 44 и 64 портами для частот до 40 ГГц (2,92 мм) и 67 ГГц (1,85 мм). Настраиваемое решение поддерживает различные конфигурации коммутационных матриц с количеством портов до 144. Коммутационные матрицы содержат модули с высокоэффективными коммутаторами SP6T с оконечной нагрузкой. Они соединяют векторный анализатор цепей с испытуемым дифференциальным сигнальным трактом и закрывают все прочие тракты, чтобы предотвратить ошибки по причине нежелательных отражений во время измерений перекрестных помех.

Для обеспечения наилучшей стабильности обратных потерь и фазы рекомендуется использовать полужесткие кабели. Далее в таблицах представлены типичные предустановленные конфигурации коммутационных матриц для испытаний кабелей и разъемов PCIe, а также требуемые комплекты полужестких кабелей.

Автоматизация испытаний

ПО для автоматизации испытаний R&S®ZNrun с опциями R&S®ZNrun-K400 и R&S®ZNrun-K440 обеспечивает простое, точное и быстрое проведение испытаний кабельных жгутов и разъемов на соответствие спецификациям CopprLink для внешних и внутренних подключений в PCIe 5.0 и 6.0. В этом ПО выполняются автоматические измерения следующих параметров: IL, RL, NEXT с PSNEXT, FEXT с PSFEXT, фазовый сдвиг внутри пар и фазовый сдвиг между линиями для различных пар дифференциальных сигнальных трактов. ПО рассчитывает соответствующие показатели iRL, ccICN NEXT и ccICN FEXT, а также генерирует подробный протокол испытаний с заключением о прохождении или непрохождении испытаний.

Преимущества решения:

• Высокая универсальность и поддержка различных типов кабельных жгутов и конфигураций разъемов. Наряду со стандартными планами испытаний PCIe x4, x8 и x16 с 4, 8 или 16 линиями пользователи могут легко создавать планы испытаний для кабелей и разъемов с другим количеством линий. Это очень удобно при испытаниях кабелей и разъемов с передачей PCIe в боковой полосе частот. Если выбранное количество линий превышает доступное количество портов в векторном анализаторе цепей и конфигурации коммутационных матриц, на экране выводятся пошаговые инструкции по подключению и сообщения о необходимости установления новых соединений между коммутационной матрицей и измерительной платой и закрытия портов на измерительной плате.
• Высокая универсальность настройки измерений на основе созданного плана испытаний. Вместо полного измерения всех линий со всеми испытуемыми параметрами можно ограничить процедуру измерениями конкретных линий и параметров. Предельные линии можно настраивать в соответствии с требованиями индивидуальных кабельных жгутов и разъемов.
• Оптимизированная калибровка значительно снижает количество требуемых соединений. Используемая при калибровке схема «звезда» уменьшает количество требуемых соединений для конфигураций PCIe x4, x8 и x16. Для кабельных жгутов и разъемов с высокоскоростной передачей в боковой полосе частот количество линий, портов и соединений калибровки увеличивается соответственно.
• Полностью автоматизированные измерения, расчет соответствующих показателей и генерирование протокола испытаний с заключением о прохождении или непрохождении испытаний экономят время и предотвращают ошибки по причине неправильных подключений. Программное обеспечение всегда правильно устанавливает соединение между векторным анализатором цепей и испытуемой парой дифференциальных сигнальных трактов, закрывая все прочие порты.
• Обширный API-интерфейс позволяет дистанционно управлять автоматическими испытаниями через другое программное обеспечение.

Заключение

Испытательное решение позволяет проводить автоматизированные испытания на соответствие спецификациям электрических кабелей и разъемов CopprLink для внешних и внутренних подключений в PCIe 5.0 и 6.0. Кроме того, возможна модернизация для удовлетворения будущих требований PCIe 7.0. Автоматизация обеспечивает быстроту и точность калибровки и измерений, а также формирование подробного протокола испытаний с заключением о прохождении или непрохождении испытаний. Программное обеспечение автоматически переключает векторный анализатор цепей на испытуемый дифференциальный сигнальный тракт и закрывает все прочие сигнальные тракты, чтобы предотвратить нежелательные отражения во время измерений перекрестных помех. Универсальное решение можно удобно подстраивать под индивидуальные конфигурации кабелей, планы испытаний и предельные линии. С помощью API-интерфейса программное обеспечение можно интегрировать в имеющуюся программную среду. Решение не только удовлетворяет потребности в проведении испытаний на соответствие стандартам, но и охватывает этапы НИОКР, регрессионных и производственных испытаний.