Automatisierte Testlösung für interne/externe Kabel und Steckverbinder gemäß PCIe 5.0- und 6.0-Spezifikationen

Ihre Anforderung

Die steigenden Rechenleistungen und Speichergeschwindigkeiten moderner Rechenzentren sind ein wesentlicher Impulsgeber für die Weiterentwicklung der PCIe-Datenraten (PCI Express). Bei Übertragungsgeschwindigkeiten von 32 GT/s (PCIe 5.0) und 64 GT/s (PCIe 6.0) ist die Einfügedämpfung in den Signalleitungen von Leiterplatten zu hoch. Daher werden Hochgeschwindigkeits-PCIe-Signale zunehmend über Kabel übertragen, die die Leiterplatte umgehen. Dadurch wird die Einfügedämpfung deutlich reduziert, und es werden größere Entfernungen zwischen dem PCIe-Root-Komplex und den PCIe-Endpunkten möglich, ohne die definierten Kanal-Budgets für Einfügedämpfung, Rückflussdämpfung, Nebensprechen und Laufzeitdifferenz (Skew) zu überschreiten.

Mit den Spezifikationen CopprLink Internal und CopprLink External Cable bzw. Connector für PCIe 5.0 und 6.0 hat die PCI-SIG Standardkonfigurationen für Kabel und Steckverbinder für interne Kabel (innerhalb eines Gehäuses) und externe Kabel (Gehäuse-zu-Gehäuse) sowie die entsprechenden Testpunkte und Grenzwerte für Konformitätsprüfungen definiert. Bei kundenspezifischen Kabelkonfektionen werden in der Regel die gleichen Testpunkte verwendet, aber die Grenzwerte für die Pass/Fail-Analyse entsprechend angepasst. Die Prüfung von PCIe-Kabeln ist mit zahlreichen Herausforderungen verbunden und erfordert eine leistungsfähige Testautomatisierung, um effiziente und zuverlässige Prüfungen sicherzustellen.

Die PCIe-Verbindung zwischen dem Root-Komplex und dem Endpunktgerät besteht aus mehreren Lanes, die jeweils einen differentiellen Signalpfad für die Übertragung und einen für den Empfang umfassen. Eine Lane-Breite von x4, x8 oder x16 entspricht folglich 8, 16 bzw. 32 differentiellen Signalpfaden, sodass für Messungen 32, 64 bzw. 128 Messtore benötigt werden. Gemäß den Spezifikationen PCIe 5.0/6.0 CopprLink Internal Cable und CopprLink External Cable sind u. a. die folgenden Testpunkte vorgesehen: Einfügedämpfung (IL), Rückflussdämpfung (RL), Nahnebensprechen (NEXT) mit PowerSum NEXT (PSNEXT), Fernnebensprechen (FEXT) mit PowerSum FEXT (PSFEXT), effektiver Laufzeitunterschied innerhalb eines Leitungspaars (Intra-Pair-Skew) und Laufzeitunterschied zwischen Lanes (Lane-to-Lane-Skew). Die Spezifikationen definieren außerdem die integrierte Rückflussdämpfung (iRL) und das komponentenbedingte integrierte Nebensprechrauschen (component-contributed Integrated Crosstalk Noise – ccICN NEXT und ccICN FEXT) als Ausnahmekriterien für Fälle, in denen die entsprechenden Grenzwertlinien überschritten werden.

Für einen vollständigen Test von x4-, x8- oder x16-Kabeln sind 64, 256 bzw. 1024 4-Tor-Messungen erforderlich. Um Messfehler bei Nebensprechtests zu vermeiden, müssen die nicht genutzten Messtore terminiert werden.

Bei Kabelkonfektionen und Steckverbindern mit PCIe-Übertragung über die Seitenbandsignale können sogar noch mehr Messtore und Messungen notwendig sein. Eine Testautomatisierung ist essentiell, da manuelle Messungen extrem zeitaufwändig und anfällig für Verbindungsfehler sind.

Anwendung

Die Prüfung eines PCIe 5.0/6.0-Kabels umfasst in der Regel die folgenden Schritte:

• Genaue Modellierung und Deembedding der Messaufnahme:
  Die Spezifikation definiert die Referenzebene in der Nähe des Kabelsteckers an der Messaufnahme. Alle Lead-ins müssen genau charakterisiert und durch Deembedding aus den Testergebnissen herausgerechnet werden. Eine impedanzkorrigierte Deembedding-Methode ist erforderlich, um alle Lead-ins der Messaufnahme mit ihren spezifischen Impedanzprofilen präzise zu modellieren und genaue Messergebnisse sicherzustellen.
• Kalibrierung des Mehrtor-Messaufbaus:
  PCIe x4-, x8- und x16-Kabelkonfigurationen erfordern Messaufbauten mit 32, 64 und 128 Toren. Einschließlich Seitenbandsignale werden sogar noch mehr Tore benötigt. Die Kalibrierung dieses Aufbaus kann umständlich und fehleranfällig sein.
• Messung aller THRU- und Nebensprechwege:
  PCIe x4-, x8- und x16-Kabelkonfigurationen erfordern insgesamt 64, 256 bzw. 1024 4-Tor-Messungen; mit Seitenbandsignalen sind es noch mehr. Eine Testautomatisierung ist unerlässlich, um Verbindungsfehler zu vermeiden und die Messungen effizient durchzuführen.
• Nachverarbeitung und Reporting:
  Für eine genaue Pass/Fail-Analyse im Testbericht müssen auch die iRL- und ccICN-Werte berechnet werden.

Lösung von Rohde & Schwarz

Rohde & Schwarz bietet eine vollautomatisierte Konformitätstestlösung, die auf Rohde & Schwarz Vektornetzwerkanalysatoren, der R&S®OSP320 Open Switch and Control Platform und der R&S®ZNrun Automatisierungssoftware basiert. Die Lösung ermöglicht Konformitätsprüfungen gemäß den Spezifikationen CopprLink Internal und CopprLink External Cable sowie Connector für PCIe 5.0 und 6.0. Sie kann leicht an die Konformitätstestanforderungen kundenspezifischer PCIe 5.0- und 6.0-Kabel angepasst werden. Dank einem Frequenzbereich, der die aktuellen Anforderungen von PCIe 5.0/6.0 übertrifft, wird diese Lösung auch kommenden Kabel- und Steckverbinder-Testspezifikationen für PCIe 7.0 gerecht.

VNA mit Deembedding Assistant für genaue Charakterisierung und Deembedding von Messaufnahmen

Die Messaufnahme umfasst typischerweise eine 2x-THRU-Referenzstruktur und zahlreiche Lead-ins. Da alle diese Strukturen unterschiedliche Ausrichtungen zur Fasergewebestruktur der Messaufnahme aufweisen, haben sie auch unterschiedliche Impedanzprofile. Eine genaue Impedanzkorrektur ist erforderlich, um alle Lead-ins mit dem entsprechenden Impedanzprofil präzise zu modellieren und eine korrekte Kompensation ohne Phantomelemente sicherzustellen.

Präzise Impedanzkorrektur mit dem Rohde & Schwarz Deembedding Assistant (rechtes Bild): Gezeigt sind die Ergebnisse für die gesamte Prüflings- und Messaufnahmestruktur sowie den Prüfling nach dem Deembedding: Beispiel mit R&S®ZNx-K220 Option. Der Vergleich der Ergebnisse der Zeitbereichsreflektometrie (TDR) zeigt den Unterschied der Impedanzprofile der 2x-THRU-Referenzstruktur, der Gesamtstruktur A02_A03 und der Gesamtstruktur A14_A15. Das berechnete Lead-in-Messaufnahme-Modell für A14_A15 stimmt exakt mit dem Impedanzprofil der Gesamtstruktur A14_A15 überein. Das Lead-in wird vollständig entfernt, und das Impedanzprofil des Prüflings zeigt nach dem Deembedding keine Phantomelemente.

Mit den Deembedding-Optionen R&S®ZNx-K210 (EZD), R&S®ZNx-K220 (ISD) und R&S®ZNx-K230 (SFD) bieten die Vektornetzwerkanalysatoren von Rohde & Schwarz eine leistungsfähige Workflow-Implementierung für die impedanzkorrigierte Charakterisierung und das Deembedding von Messaufnahmen mit branchenführender Genauigkeit. Der Deembedding Assistant führt den Anwender schrittweise durch die Definition der Prüflingstopologie, die Messung der Deembedding-Referenzstrukturen (typischerweise 2x-THRU-Coupons) sowie der Gesamtstruktur (Prüfling und Messaufnahmen), die Berechnung der Messaufnahme-Modelle und deren Deembedding aus dem Messergebnis. Dank der Integration in das Gerät können die Messergebnisse sofort angezeigt und analysiert werden.

PCIe 5.0 und 6.0 nutzen einen Frequenzbereich von 10 MHz bis 24 GHz mit einer Schrittweite von 10 MHz für Kabel- und Steckverbindertests. Allerdings bietet ein Frequenzbereich von 40 GHz in der Regel eine bessere Zeitbereichsauflösung bei der Charakterisierung der Messaufnahme und beim Deembedding sowie eine höhere Genauigkeit des abgeleiteten Modells. Daher wird dieser Bereich für den Test empfohlen. Die folgende Tabelle enthält eine Liste der empfohlenen VNA-Modelle und ihrer Konfigurationen.

Vordefinierte Matrixkonfigurationen mit Festmantelkabelsätzen

Es stehen vordefinierte Schaltmatrixkonfigurationen mit 24, 44 und 64 Toren für 40 GHz (2,92 mm) und 67 GHz (1,85 mm) zur Verfügung. Die Lösung ist anpassbar und unterstützt verschiedene Schaltmatrixkonfigurationen mit bis zu 144 Toren. Die Schaltmatrizen umfassen Module mit terminierten SP6T-Hochleistungsschaltern. Sie verbinden den Vektornetzwerkanalysator mit dem zu testenden differentiellen Signalpfad und terminieren alle anderen Pfade, um Messfehler aufgrund unerwünschter Reflexionen während der Nebensprechtests zu vermeiden.

Für optimale Rückflussdämpfung und Phasenstabilität werden Festmantelkabel empfohlen. Die nachfolgenden Tabellen geben einen Überblick über typische, vordefinierte Matrixkonfigurationen für PCIe-Kabel- und Steckverbindertests sowie die benötigten Festmantelkabelsätze.

Testautomatisierung

Die R&S®ZNrun Automatisierungssoftware mit den Optionen R&S®ZNrun-K400 und R&S®ZNrun-K440 ermöglicht einfache, präzise und zeitsparende Konformitätsprüfungen von Kabelkonfektionen und Steckverbindern gemäß den Spezifikationen CopprLink Internal und CopprLink External Cable für PCIe 5.0 und 6.0. Sie misst automatisch IL, RL, NEXT einschließlich PSNEXT, FEXT einschließlich PSFEXT und den effektiven Laufzeitunterschied innerhalb eines Leitungspaars sowie zwischen Lanes der verschiedenen differentiellen Signalpaare (Intra-Pair Skew/Lane-to-Lane Skew). Die Software berechnet die entsprechenden Werte für iRL, ccICN NEXT und ccICN FEXT und generiert einen umfassenden Testbericht mit einem Pass/Fail-Urteil.

Die Lösung bietet

• Hohe Flexibilität zur Unterstützung verschiedener Arten von Kabelkonfektionen und Steckerkonfigurationen. Neben Standard-Testplänen für PCIe x4, x8 und x16 mit 4, 8 oder 16 Lanes kann der Benutzer problemlos Testpläne für Kabel und Steckverbinder mit anderer Lane-Anzahl generieren. Dies ist besonders nützlich für Kabel und Steckverbinder mit PCIe-Übertragung über Seitenbandsignale. Ist die gewählte Lane-Anzahl größer als die Anzahl der an Vektornetzwerkanalysator plus Schaltmatrixkonfiguration verfügbaren Tore, wird der Benutzer durch die erforderlichen Verbindungsschritte geführt. Es erscheinen entsprechende Hinweise, wenn eine neue Verbindung der Schaltmatrix zur Messaufnahmestruktur sowie neue Messtor-Terminierungen an der Messaufnahme erforderlich sind.
• Hohe Flexibilität bei der Einrichtung der Messungen auf Basis des generierten Testplans. Anstatt alle Lanes vollständig und nach sämtlichen Prüfkriterien zu testen, kann die Messung auf bestimmte Lanes und ausgewählte Prüfkriterien beschränkt werden. Die Grenzwertlinien können an die Anforderungen kundenspezifischer Kabelkonfektionen und Steckverbinder angepasst werden.
• Eine optimierte Kalibrierroutine, die die Anzahl der Kalibrierverbindungen deutlich reduziert. Die Routine basiert auf einer Sternkalibrierung und reduziert die Anzahl der Kalibrierverbindungen bei PCIe-x4-, x8- und x16-Konfigurationen, wie auf Seite 3 dargestellt. Bei PCIe-Kabelkonfektionen und Steckverbindern mit Hochgeschwindigkeitsübertragung über Seitenbandsignale erhöht sich die Anzahl der Lanes, Tore und Kalibrierverbindungen entsprechend.
• Vollautomatisierte Messung, Berechnung der entsprechenden Metriken und Erstellung eines Testberichts mit Pass/Fail-Ergebnis, wodurch die Testzeit reduziert und Verbindungsfehler vermieden werden. Die Software verbindet den Vektornetzwerkanalysator stets mit dem richtigen differentiellen Signalpaar und terminiert alle anderen Anschlüsse.
• Eine umfassende API zur Fernsteuerung der Testautomatisierung über externe Software.

Fazit

Die Testlösung ermöglicht automatisierte Konformitätstests von Kabelkonfektionen und Steckverbindern gemäß den Spezifikationen CopprLink Internal sowie External Cable für PCI Express 5.0 und 6.0 und ist für zukünftige Anforderungen von PCIe 7.0 erweiterbar. Automatisierung ermöglicht schnelle und genaue Kalibrierungen und Messungen sowie die Erstellung eines vollständigen Testberichts mit Pass/Fail-Ergebnis. Die Lösung schaltet den Vektornetzwerkanalysator automatisch auf den zu testenden differentiellen Signalpfad um und terminiert alle anderen Signalpfade, um unerwünschte Reflexionen während der Nebensprechmessungen zu vermeiden. Dank ausgezeichneter Flexibilität lässt sich die Lösung problemlos an kundenspezifische Kabelkonfigurationen, Testpläne und Grenzwertlinien anpassen. Über ihre API-Schnittstelle kann die Software zudem in eine bestehende Softwareumgebung integriert werden. Die Lösung erfüllt die Anforderungen von Konformitätstests und unterstützt darüber hinaus Anwendungen in Forschung und Entwicklung sowie Regressions- und Produktionstests.