Deembedding in tempo reale con oscilloscopio R&S®RTP

Attività da eseguire

Verificare le reali prestazioni del progetto riducendo l’impatto del percorso dei segnali, della sonda, dei cavi, dei dispositivi e di altri accessori utilizzati per misurare il segnale in esame.

Durante il debug di un’interfaccia ad alta velocità come DDR o PCIe, oppure quando si desidera caratterizzazione un segnale di clock rapido o analizzare un segnale RF complesso, risulta molto utile visualizzare il segnale reale e non gli artefatti dovuti alla configurazione di test, ad esempio causati dagli effetti di carico o dalla riflessioni. Il processo di rimozione degli effetti non ideali del percorso del segnale (attenuazione, sfasamento, caricamento e così via) è detto de-embedding.

La rimozione di questa distorsione in un oscilloscopio in tempo reale richiede in genere l'utilizzo di un filtro con una risposta che compensi gli effetti del percorso del segnale. Detto filtro viene applicato a una forma d’onda per ottenere miglioramenti della qualità del segnale osservato, quali una maggiore ampiezza dell'occhio, un tempo di salita più rapido o la rimozione di una riflessione.

Sfortunatamente, l'adozione di questo metodo introduce anche dei potenziali problemi:

• Poiché il guadagno ottenuto dalla risposta del filtro è a banda larga e aumenta i livelli sia del segnale, sia del rumore, è fondamentale scegliere la larghezza di banda del sistema appropriata (per attenuare il rumore fuori banda).
• In molti casi, l’uso di una lunghezza del filtro inferiore può contribuire a migliorare il tempo di elaborazione, al prezzo però di un’accuratezza ridotta.
• La correzione del punto di trigger durante la post-elaborazione è lenta (solo lenta). È possibile correggere solo la temporizzazione dei fronti, e non la larghezza dell’impulso o altri parametri, per correlare un segnale di trigger (non corretto) con il segnale finale (corretto con il de-embedding), in quanto il filtro software viene applicato solo dopo lo scatto del trigger dell'oscilloscopio e la memorizzazione dei dati della forma d’onda. Quanto osservato dal sistema di trigger e quanto mostrato sul display potrebbero non corrispondere al risultato della correzione effettuata nella fase di post-elaborazione. Questa differenza può divenire maggiormente significativa nel momento in cui la frequenza dei segnali aumenta.

Soluzione di misura e collaudo

Architettura di de-embedding in tempo reale

L’oscilloscopio ad alte prestazioni R&S®RTP è progettato per gestire questi compromessi e offrire una soluzione per il de-embedding facile e veloce. Le molteplici visualizzazioni della risposta in frequenza del singolo elemento circuitale, così come le risposte del sistema nel suo complesso, facilitano l’ottimizzazione della larghezza di banda e assicurano un’amplificazione minima del rumore.

Nell’oscilloscopio R&S®RTP, il filtro di de-embedding è realizzato tramite un hardware dedicato posto subito dopo il convertitore A/D. Questa capacità di elaborazione in tempo reale dei dati della forma d’onda assicura la massima frequenza di aggiornamento anche quando è applicato il filtro. Durante la ricerca di errori in un protocollo o quando si sta osservando un diagramma a occhio, un sistema di misurazione reattivo consente di non perdere alcun dettaglio critico del segnale.

De-embedding con percorsi del segnale in cascata

La struttura tipica di un percorso di segnale utilizzato durante il test delle interfacce differenziali ad alta velocità comprende un set di cavi a fase adattata, adattatori e accessori vari di contatto (fixture). Cavi, adattatori e altri accessori vengono modellati tramite i parametri S a due porte, mentre una fixture più complessa potrebbe modellata tramite parametri S a due o quattro porte. L’applicazione di de-embedding gestisce in modo trasparente il processo di concatenazione dei parametri S, tenendo in considerazione il carico di ingresso/uscita di ciascun blocco.

Funzionalità di trigger superiori e risultati rapidi sull'integrità del segnale

L’ultima fase della de-embedding prevede la creazione di un filtro da applicare successivamente al segnale misurato. Nell’oscilloscopio R&S®RTP, il filtro di de-embedding è disponibile per il trigger digitale e il sistema di acquisizione ad alte prestazioni. Questa scelta ha permesso di realizzare il primo trigger con de-embedding sul mercato, che consente lo scatto del trigger esattamente in corrispondenza con il segnale corretto osservato. Il de-embedding basato sull’hardware accelera inoltre l’elaborazione delle forme d’onda critiche, assicurando ad esempio la più alta frequenza di aggiornamento dei diagrammi a occhio (fino a 1000 volte più velocemente rispetto ad altri strumenti).

Applicazione

Migliorare il margine dell'occhio

Una delle domande più comunemente poste dai progettisti e tecnici del collaudo è la seguente: quali sono le reali prestazioni del mio progetto? In altre parole, chiedono come sia possibile sapere se la misura riflette le prestazioni effettive o se i risultati sono in qualche modo influenzati dal carico dell’apparecchiatura di test, dalle riflessioni del connettore, dalle perdite dei cavi o da qualsiasi altro disturbo introdotto della apparecchiature di misura e collaudo. Per questi difetti noti, è possibile recuperare il margine di progettazione utilizzando le tecniche di de-embedding. Per quanto sia consigliabile utilizzare sempre cavi di alta qualità a fase adattata, è più facile comprendere le reali prestazioni di un progetto ricorrendo a routine di correzione integrate, che compensano il carico della sonda, la perdita di ritorno/inserimento di cavi, gli effetti di adattatori e dispositivi e persino del comportamento dello stadio d'ingresso dell’oscilloscopio.

Le due schermate mostrano un segnale ad alta velocità misurato con un cavo corto (forma d’onda gialla) e con un cavo lungo (forma d’onda verde). Al cavo lungo viene applicata la procedura di de-embedding e i risultati vengono confrontati con la risposta del cavo corto, che in questo esempio è il riferimento ideale. Si può notare che la maggior parte del margine perso dal cavo corto viene recuperata attraverso il de-embedding, che migliora l'apertura dell'occhio.

Analisi di segnali RF

I progettisti di sistemi a radiofrequenza (RF) devono continuamente affrontare le sfide poste dall'utilizzo di tecniche di modulazione sempre più complesse con larghezze di banda e frequenze sempre più elevate. Ogni elemento nel percorso di un segnale incide sulle prestazioni di misura RF complessive. Cavi, accoppiatori, attenuatori e altri accessori contribuiscono ad introdurre effetti non ideali sul percorso del segnale, quali distorsioni, perdite di ritorno ed errori di fase.

L’attenuazione dipendente dalla frequenza di una traccia lunga è in genere una delle principali fonti di problemi segnale-rumore. Anche un componente semplice come un attenuatore fisso può aggiungere distorsione e degradare il segnale più del previsto. Gli effetti di un attenuatore, di un cavo o di una traccia del circuito stampato possono essere facilmente compensati mediante tecniche di de-embedding.

Triggering e decodifica seriale di segnali con de-embedding

La ricerca della causa principale di un problema di progettazione solitamente parte dalla riproduzione del problema e dal suo isolamento con un trigger. Il triggering e la decodifica dei protocolli ad alta velocità sono divenuti strumenti indispensabili nella correlazione delle attività elettriche e di protocollo. Per assicurare l’affidabilità di un decodificatore di protocollo di un oscilloscopio, è necessario migliorare la qualità complessiva del segnale, ad esempio mediante il de-embedding.

Fondamentali per l’affidabilità migliorata del trigger sono l’aumento dell’ampiezza del segnale e il miglioramento complessivo delle caratteristiche di segnalazione, che facilitano notevolmente il rilevamento di bit e simboli per il sistema di triggering e decodifica. Le architetture tradizionali degli oscilloscopi comprendono un blocco di rilevamento del trigger, il che significa che il segnale visualizzato dopo il de-embedding (corretto via software) non corrisponde al segnale grezzo osservato dal circuito di rilevamento del trigger. Nell’oscilloscopio R&S®RTP, invece, i sistemi di triggering e acquisizione condividono lo stesso segnale, pertanto l’elemento osservato è quello su cui si esegue il triggering. Il triggering risulta così molto più affidabile, anche per i bus seriali più complessi.

A titolo di esempio, si supponga di prelevare un segnale USB 3.0 Gen1 all’estremità di un canale, dove la perdita del segnale è elevata, ma inevitabile a causa dei vincoli meccanici. È ancora possibile decodificare l’attività del protocollo, ma alcuni dati potrebbero apparire danneggiati o non sincronizzati a causa dell’isteresi o delle differenze di livello.

La decodifica seriale è più affidabile e coerente se viene applicata, interamente o in parte, la compensazione delle perdite del canale.

Segnale USB 3.0 Gen1 dopo il de-embedding

Ottimizzazione dei test sulle interfacce DDR

Un’altra complessità legata all’integrità del segnale che viene resa più facile da de-embedding è la rimozione delle riflessioni: ad esempio, nella verifica dei sistemi di memoria DDR, l’accesso al segnale è generalmente disponibile tramite un contatto diretto su una 'via' posta nelle vicinanze, un piedino o un altro punto di accesso. L’uso di un componente interposer può semplificare ulteriormente l’accesso al segnale, esponendo i segnali rilevanti che vengono instradati dai contatti BGA (Ball Grid Array). Tramite il de-embedding degli effetti dell’interposer vengono rimossi sia l’attenuazione della fixture, sia i riflessi causati dal disadattamento di impedenza.