Análisis de integridad de señal para interfaces de comunicación de datos de alta velocidad

Su tarea

Usted debe caracterizar una interfaz de comunicación de datos de alta velocidad tal como PCIe, USB, SATA o HDMI™. La integridad de la señal es parte importante de esta caracterización y uno de los retos es conectar el dispositivo bajo prueba adecuadamente al equipo de prueba y medición. Este podría ser un osciloscopio, un analizador de espectro, o un analizador de redes vectoriales. Por lo general, estas interfaces están diseñadas para productos de consumo y tienen conectores disponibles comercialmente de bajo costo con características de RF no definidas, a diferencia de, p.ej., un conector SMA. Se requiere de un adaptador de fijación como puente entre las interfaces y el instrumento de prueba y medición, pero no debe olvidarse que estos adaptadores de fijación influyen en la medición. Aplicar técnicas de compensación (deembedding) sería una opción, pero la caracterización de estos accesorios es un reto.

La solución de Rohde & Schwarz

Los osciloscopios R&S®RTP y R&S®RTO2000 pueden realizar análisis exhaustivos de integridad de señal. El análisis de fluctuación de fase proporciona un desglose de los componentes de los parámetros principales. Todos los parámetros, a excepción de la tasa de bits erróneos (BER), pueden ser vistos en el dominio de tiempo como una traza, en el dominio de frecuencia como espectro y estadísticamente como histograma.

Además, la opción avanzada de fluctuación de fase R&S®RTP-K133/RTO-K133 incluye dos nuevas funciones que amplían el análisis más allá de estos bien conocidos parámetros de fluctuación de fase:

• Diagrama de ojo sintético: permite al usuario explorar el efecto de algunos parámetros de fluctuación de fase en el diagrama de ojo
• Medición intrínseca de la respuesta en escalón del canal de comunicación: incluye las características dependientes de los datos del dispositivo bajo prueba, el adaptador de fijación y el cableado

La respuesta en escalón es importante porque abarca la influencia del adaptador de fijación en el análisis de integridad de señal. El usuario puede realizar varias mediciones basándose en la respuesta en escalón para comprender la influencia del adaptador de fijación en el análisis.

Aplicación

Como ejemplo, esta ficha de aplicación describe el análisis de una señal diferencial (8.125 Gbps, PRBS31) generada por una prueba de tasa de bits erróneos (BERT) con dispersión del espectro de reloj (SSC) y sin adiciones de fluctuación de fase. La señal se propaga mediante una traza larga hacia un panel PCIe Gen4 ISI (PCIe-VAR-ISI). La interferencia entre símbolos (ISI), aportada por el módulo, fue la contribución principal para la fluctuación de fase. Esta configuración en particular permite verificar la respuesta en escalón utilizando un analizador de redes vectoriales (VNA) que se muestra al final.

Es importante analizar la fluctuación de fase de la misma forma como el receptor recibiría y tomaría el tiempo a los datos. El osciloscopio entonces captura los datos TX diferenciales y usa un hardware de recuperación de datos de reloj (CDR) para disparar a la señal de datos. (ver fig. 1). Note la alta frecuencia de actualización (122 000 formas de onda/s) del osciloscopio de alto rendimiento R&S®RTP.

Antes del análisis, el tiempo de adquisición debe ser configurado a un valor que considere la resolución de frecuencia mínima requerida para el análisis periódico de fluctuación de fase. Para lograr una resolución hasta 40 kHz, la cual está en el rango de las fuentes conmutadas (SMPS), y una frecuencia de muestreo de 40 gigamuestras por segundo, la longitud de registro se ajusta a 2 megamuestra (= 2 × (frecuencia de muestreo) / (frecuencia de conmutación de SMPS) y luego el tiempo de adquisición a 50 μs.

El algoritmo de descomposición de la fluctuación de fase analiza el canal diferencial como una señal que no vuelve a cero (NRZ). El CDR necesario se configura con un segundo bucle de enganche de fase (PLL) con un ancho de banda de 16 MHz.

La descomposición de la fluctuación de fase en la figura 2 muestra los resultados en una tabla y los datos estadísticos en histogramas (TJ, RJ, PJ, DDJ¹), la cual, como era de esperarse, está dominada por la DDJ. La curva en forma de bañera de la tasa de bits erróneos demuestra una buena correspondencia entre la tasa medida y calculada de bits erróneos. La parte novedosa en esta descomposición es la respuesta en escalón estimada que se observa al medio de la figura 2. La respuesta en escalón resulta de aplicar un escalón ideal a la función de transferencia del canal. Un adaptador de fijación no calibrado sería inherentemente parte de esta estimación.

¹ TJ: fluctuación de base total, RJ: fluctuación de fase aleatoria PJ: fluctuación de fase periódica, DDJ: fluctuación de fase dependiente de los datos.

El usuario tiene la opción de configurar la longitud de la respuesta en escalón en la estimación, en este caso está programada a 75 UI. La configuración de la longitud de respuesta en escalón obedece a tres principios:

• A mayor longitud de la respuesta en escalón configurada, mayor el tiempo de cálculo.
• La longitud de la respuesta en escalón debe ser mayor que la memoria del canal. Una respuesta en escalón larga favorece un análisis detallado de la respuesta en escalón.
• La longitud de ejecución del patrón debe ser mayor que la longitud de la respuesta en escalón.

El usuario puede analizar la respuesta en escalón con herramientas conocidas tales como un cursor y mediciones automatizadas. En el ejemplo el tiempo de subida es medido con un cursor. La medición del tiempo de subida tr permite al usuario calcular el ancho de banda fB del canal, aplicando la aproximación fB = 0.35 tr que es válida para un filtro de paso bajo unipolar.

Un análisis más detallado en el dominio frecuencial es por lo tanto de interés. Temas como la sobremodulación y sobreoscilación de la función de transferencia también son visibles en el dominio frecuencial.

Además de los histogramas y la respuesta en escalón calculada, la figura 3 muestra la función de transferencia asociada de la respuesta en escalón en el dominio frecuencial como magnitud (ver el marcador M1) y fase (ver el marcador M2). Para calcular la función de transferencia en el dominio frecuencial basado en una respuesta en escalón, el menú matemático ofrece una variedad de funciones [1]:

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

Como era de esperarse, la magnitud muestra una atenuación dependiente de la frecuencia, causada principalmente por pérdidas dieléctricas. El efecto pelicular es pequeño. La fase muestra la dispersión de la traza. En ambas trazas todos los valores por encima de 16 GHz son ruido debido al ancho de banda limitado del canal. A los 8.125 GHz, hay un artefacto causado por la velocidad de transmisión.

^[1] A. M. Nicolson, «Forming the fast Fourier transform of a step response in time-domain metrology» (formando la transformación rápida Fourier de una respuesta en escalón en metrología de dominio de tiempo), Electronic Letters, volumen 9, edición 14, p. 317, 1973.

Esta medición fue comparada con una medición del analizador de redes vectoriales. A la par que el módulo PCIe Gen4 ISI introduce la interferencia entre símbolos, la traza asociada es medida (diferencial) y la función de transferencia y el parámetro de dispersión diferencial/diferencial (S21 DD) son comparados en el dominio frecuencial (ver fig. 4).

Ambas mediciones muestran una buena correspondencia en la banda de 0 Hz a 16 GHz. La magnitud se desvía menos de 1 dB y la fase menos de 5°.

Resumen

Los osciloscopios R&S®RTP y R&S®RTO2000 analizan la integridad de señales digitales de alta velocidad. Los osciloscopios miden con precisión componentes bien conocidos de fluctuaciones de fase tales como TJ, RJ, PJ y DDJ. Los osciloscopios también analizan inherentemente la función de transferencia que causa el DDJ. Una caracterización por separado de los componentes individuales de la ruta de transmisión constituye un reto, debido a que la impedancia de salida del controlador de dispositivos de la señal sobre la frecuencia es usualmente desconocida. Por lo tanto, la medición inherente de la función de transferencia es un elemento clave para conocer las fuentes del DJJ.