Analyse de l'intégrité du signal pour les interfaces datacom haut débit

Votre tâche

Vous devez caractériser une interface datacom haut débit telle que PCIe, USB, SATA ou HDMI™. L'intégrité du signal est une part importante de cette caractérisation, et l'un des défis consiste à connecter le dispositif sous test proprement à l'équipement de test et mesure. Il peut s'agir d'un oscilloscope, d'un analyseur de spectre ou d'un analyseur de réseaux vectoriels. Généralement, ces interfaces sont conçues pour des produits grand public et sont équipées de connecteurs d'entrée de gamme, avec des caractéristiques RF non définies, contrairement par exemple à un connecteur SMA. Un montage de test est nécessaire, comme un pont entre les interfaces et l'équipement de test et mesure, mais ces montages de test influencent la mesure, ce qui ne peut pas être négligé. Les techniques de de-embedding seraient une possibilité, mais la caractérisation de ces montages est un réel défi.

Solution Rohde & Schwarz

Les oscilloscopes R&S®RTP et R&S®RTO2000 peuvent analyser l'intégrité du signal en profondeur. L'analyse de la gigue fournit un aperçu des paramètres clés. Tous les paramètres, excepté le taux d'erreur binaire (BER), peuvent être visualisés dans le domaine temporel comme une trace, dans le domaine fréquentiel comme un spectre, et statistiquement comme un histogramme.

D'autre part, les options avancées de gigue R&S®RTP-K133 / RTO-K133 proposent deux nouvelles fonctionnalités qui élargissent l'analyse au-delà de ces paramètres de gigue bien connus :

• Diagramme de l’œil synthétique : permet à l'utilisateur d'analyser l'effet de certains paramètres de la gigue sur les données de l’œil
• Mesure intrinsèque de la réponse par étape du canal de transmission : intègre les caractéristiques dépendantes des données du dispositif sous test, du montage de test et du câblage

La réponse par étape est importante, car elle couvre l'influence du montage de test sur l'analyse de l'intégrité du signal. L'utilisateur peut réaliser diverses mesures en se basant sur la réponse par étape, afin de comprendre l'influence du montage de test sur l'analyse.

Application

Par exemple, cette carte d'application décrit l'analyse d'un signal différentiel (8.125 Gbps, PRBS31) généré par un test de taux d'erreur binaire (BERT) avec une horloge à spectre étendu (SSC) et sans ajouts de gigue. Le signal est propagé via une longue trace à l'aide d'une carte PCIe Gen4 ISI (PCIe-VAR-ISI). L'interférence inter-symbole (ISI), introduite par la carte, était la composante dominante de la gigue. Cette configuration particulière permet la vérification de la réponse par étape en utilisant un analyseur de réseaux vectoriels (VNA), qui est illustrée à la fin.

Il est très important d'analyser la gigue, de la même manière que le récepteur reçoive et enregistre les données. L'oscilloscope capture donc les données différentielles TX et utilise une horloge de recouvrement de données (CDR) pour déclencher sur le signal (voir Fig. 1). On remarquera le taux de rafraîchissement élevé (122 000 formes d'ondes/s) de l'oscilloscope haute performance R&S®RTP.

Avant l'analyse, la durée d'acquisition devra être réglée à une valeur qui prend en compte la résolution fréquentielle minimale requise pour l'analyse périodique de la gigue. Pour obtenir une résolution inférieure à 40 kHz, qui est dans la gamme des alimentations à découpage (SMPS), et un taux de rafraîchissement de 40 Géchantillons/s, la longueur d'enregistrement est paramétrée sur 2 Méchantillons (= 2 × (taux d'échantillonnage) / (fréquence de commutation SMPS)) et par conséquent la durée d'acquisition à 50 μs.

L'algorithme de décomposition de la gigue analyse le canal différentiel comme un signal NRZ (non-return-to-zero). La CDR nécessaire est configurée avec une boucle à verrouillage de phase (PLL) de second ordre, dotée d'une bande passante de 16 MHz.

La décomposition de la gigue sur la Fig. 2 montre les résultats sous forme d'un tableau et les données statistiques sous forme d'histogrammes (TJ, RJ, PJ, DDJ¹)), qui sont comme prévu dominés par la DDJ. La courbe en bathtub du BER illustre une bonne conformité entre les taux de BER mesuré et calculé. La nouvelle partie au sein de cette décomposition correspond à la réponse par étape estimée indiquée au milieu de la Fig. 2. La réponse par étape est le résultat d'une étape idéale appliquée à la fonction de transfert du canal. Un montage de test non calibré ferait partie intégrante de cette estimation.

¹ TJ : gigue totale, RJ : gigue aléatoire, PJ : gigue périodique, DDJ : gigue dépendante des données.

L'utilisateur a la possibilité de configurer la longueur de la réponse en étape dans l'estimation; dans ce cas, elle est réglée sur 75 UI. Le réglage de la durée de la réponse par étape est régie par trois principes :

• Plus la longueur de la réponse par étape est importante, plus la durée de traitement est importante.
• La longueur de la réponse par étape devra être plus importante que la mémoire du canal. Une longue réponse par étape est bénéfique pour une analyse détaillée de la réponse par étape.
• La durée d'exécution de la pattern devra être plus importante que la longueur de la réponse par étape.

L'utilisateur peut analyser la réponse par étape avec des outils classiques tels que des mesures automatisées et par curseurs. Dans l'exemple, le temps de montée est mesuré via un curseur. La mesure du temps de montée tr permet à l'utilisateur d'estimer la bande passante fB du canal, en utilisant l'approximation fB = 0.35 ⁄ tr , qui est valable pour un filtre passe-bas à un seul pôle.

Une analyse plus détaillée dans le domaine fréquentiel est par conséquent très pertinente. Les sujets tels que le dépassement (overshoot), l'écrasement (droop) et le repliement (ringing) de la fonction de transfert sont également visibles dans le domaine fréquentiel.

En plus des histogrammes et de la réponse par étape estimée, la Fig. 3 montre la fonction de transfert associée de la réponse par étape dans le domaine fréquentiel pour la magnitude (voir marqueur M1) et la phase (voir marqueur M2). Afin de calculer la fonction de transfert dans le domaine fréquentiel en se basant sur la réponse par étape, le menu math propose un ensemble de fonctions [1] :

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

Comme prévu, la magnitude indique une atténuation dépendante de la fréquence, principalement causée par les pertes diélectriques. L'effet Kelvin (skin) est plutôt faible. La phase montre la dispersion de la trace. Pour les deux traces, toutes les valeurs supérieures à 16 GHz sont des bruits du fait de la bande passante limitée du canal. A 8,125 GHz, il y a un artefact causé par le taux de données.

^[1] A. M. Nicolson, “Forming the fast Fourier transform of a step response in time-domain metrology,” Electronic Letters, Volume 9, Issue 14, p. 317, 1973.

Cette mesure a été comparée avec une mesure par analyseur de réseaux vectoriels. Puisque la carte PCIe Gen4 ISI introduit l'interférence ISI, la trace associée a été mesurée (différentielle), puis la fonction de transfert et le paramètre de séparation différentiel / différentiel (S21 DD) comparés dans le domaine fréquentiel (voir Fig. 4).

Les deux mesures indiquent une bonne conformité dans la bande 0 Hz à 16 GHz. La magnitude dévie de moins de 1 dB et la phase de moins de 5°.

Conclusion

Les oscilloscopes R&S®RTP et R&S®RTO2000 analysent les signaux numériques haut débit pour l"intégrité du signal. Les oscilloscopes mesurent précisément les composantes bien connues de la gigue telles que TJ, RJ, PJ et DDJ. Les oscilloscopes analysent également la fonction de transfert inhérente, qui engendre la DDJ. Une caractérisation séparée des composantes individuelles du trajet de transmission est un vrai défi du fait de l'accessibilité, et l'impédance de sortie du signal en fonction de la fréquence est généralement inconnue. Par conséquent, la mesure inhérente de la fonction de transfert est un élément clé pour comprendre les sources de la DDJ.