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

Su misión

Debe caracterizar una interfaz de datos de alta velocidad como PCIe, USB, SATA o HDMI™. La integridad de la señal es una parte importante de esta caracterización, y una de las potenciales dificultades es conectar adecuadamente el dispositivo bajo prueba al equipo de test y medida. Este puede ser un osciloscopio, un analizador de espectro o un analizador vectorial de redes. Normalmente, estas interfaces están diseñadas para productos de consumo y están provistas de conectores comerciales de bajo coste con características de RF no definidas, a diferencia de un conector SMA, por ejemplo. Se necesita un adaptador de fijación que actúe como puente entre las interfaces y el equipo de test y medida, pero estos adaptadores de fijación afectan a la medida de manera no negligible. Una solución pueden ser las técnicas de compensación, pero la caracterización de estos adaptadores entraña dificultades.

Solución Rohde & Schwarz

Los osciloscopios R&S®RTP y R&S®RTO realizan análisis de integridad de la señal en profundidad. El análisis de fluctuación de fase permite separar los parámetros principales. Todos los parámetros, excepto la tasa de bits erróneos (BER), pueden verse en el dominio temporal como una pista, en el dominio frecuencial como un espectro y estadísticamente como un histograma.

Además, la opción avanzada de fluctuación de fase R&S®RTx-K133 aporta dos nuevas funciones que amplían el análisis más allá de esos parámetros de fluctuación de fase habituales:

• Diagrama de ojo sintético: permite al usuario explorar el efecto de determinados parámetros de fluctuación de fase en el ojo de datos
• Medida intrínseca de la respuesta en escalón del canal de comunicación inalámbrica: incluye las características dependientes de 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 sobre el análisis de integridad de la señal. El usuario puede realizar diversas medidas basadas en la respuesta en escalón para entender la influencia del adaptador de fijación sobre el análisis.

Aplicación

Esta ficha de aplicación describe, a modo de ejemplo, el análisis de una señal diferencial (8,125 Gbps, PRBS31) generada por un ensayo de tasa de bits erróneos (BERT) con reloj de espectro ensanchado (SSC) y sin adiciones de fluctuación de fase. La señal se propaga a través de una traza larga por medio de un módulo PCIe Gen4 ISI (PCIe-VAR-ISI). La interferencia entre símbolos (ISI), generada por el módulo, fue la principal contribución a la fluctuación de fase. Esta configuración concreta permite comprobar la respuesta en escalón usando un analizador vectorial de redes (VNA), como se muestra al final.

Es importante analizar la fluctuación de fase del mismo modo en que el receptor recibiría y mediría los datos. Por ello, el osciloscopio capta los datos diferenciales de transmisión y utiliza una recuperación de datos de reloj (CDR) por hardware para disparar la señal de datos (ver la fig. 1). Es de destacar la elevada frecuencia de actualización (122 000 trazas/s) del osciloscopio de altas prestaciones R&S®RTP.

Antes del análisis, debe ajustarse el tiempo de adquisición a un valor adecuado para la mínima resolución de frecuencia necesaria para el análisis de la fluctuación de fase periódica. A fin de obtener una resolución de solo 40 kHz, situada dentro del rango de las fuentes de alimentación en modo conmutado (SMPS), y una frecuencia de muestreo de 40 Gmuestras/s, se ajusta una longitud de registro de 2 Mmuestras (= 2 × (frecuencia de muestreo) / (frecuencia de conmutación de la SMPS)) y, en consecuencia, un tiempo de adquisición de 50 μs.

El algoritmo de descomposición de la fluctuación de fase analiza el canal diferencial como una señal sin retorno a cero (NRZ). La CDR necesaria se configura con un bucle de enganche de fase de segundo orden (PLL) con un ancho de banda de 16 MHz.

La descomposición de fluctuación de fase de la figura 2 muestra los resultados en una tabla y los datos estadísticos como histogramas (TJ, RJ, PJ, DDJ¹), donde, tal y como se esperaba, domina el DDJ. La curva de bañera de la BER muestra un alto grado de conformidad entre la BER calculada y la BER medida. Lo que llama la atención en esta descomposición es la respuesta en escalón estimada que se muestra en el centro de la fig. 2. La respuesta en escalón es el resultado de un escalón ideal aplicado a la función de transferencia del canal. Un adaptador de fijación no calibrado sería parte inherente de esta estimación.

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

El usuario tiene la opción de configurar la longitud de la respuesta en escalón dentro de la estimación. En este caso se usa un valor de 75 UI. Para ajustar la longitud de la respuesta en escalón deben tenerse en cuenta tres criterios:

• Cuanto mayor sea la longitud configurada de la respuesta en escalón, mayor será el tiempo de cálculo.
• Es recomendable que la longitud de la respuesta en escalón sea mayor que la memoria del canal. Una respuesta en escalón larga es útil para un análisis detallado de la respuesta en escalón.
• Es recomendable que la longitud de ciclo del patrón sea mayor que la longitud de la respuesta en escalón.

El usuario puede analizar la respuesta en escalón con herramientas habituales como un cursor o medidas automatizadas. En el ejemplo, el tiempo de subida se mide mediante un cursor. La medida del tiempo de subida tr permite al usuario estimar el ancho de banda fB del canal usando la aproximación fB = 0,35 ⁄ tr, que es válida para un filtro paso bajo unipolar.

En consecuencia, resulta útil efectuar un análisis más detallado en el dominio frecuencial. En el dominio frecuencial también se visibilizan aspectos como el sobreimpulso, la caída y la sobreoscilación de la función de transferencia .

Además de los histogramas y la respuesta en escalón estimada, la fig. 3 muestra la función de transferencia asociada de la respuesta en escalón en el dominio frecuencial en magnitud (véase el marcador M1) y fase (véase el marcador M2). Para calcular la función de transferencia en el dominio frecuencial a partir de la respuesta en escalón, el menú MATH ofrece una serie de funciones [1]:

• Step2FreqRespNormMag(<canal>,<puntos>)
• Step2FreqRespNormPhi(<canal>,<puntos>,<retardo>)

Como se preveía, la magnitud muestra una atenuación dependiente de la frecuencia, atribuible principalmente a pérdidas dieléctricas. El efecto pelicular es muy reducido. La fase muestra la dispersión de la traza. Para las dos trazas, todo valor superior a 16 GHz es ruido, debido a la limitación de ancho de banda de canal. A 8,125 GHz hay un artefacto provocado por la velocidad de transmisión.

^[1] A. M. Nicolson, «Forming the fast Fourier transform of a step response in time-domain metrology», Electronic Letters, volumen 9, número 14, p. 317, 1973.

Esta medida se ha comparado con una medida por analizador vectorial de redes. Mientras el módulo PCIe Gen4 ISI generaba la ISI, se midió la traza (diferencial) asociada y se comparó la función de transferencia con el parámetro de dispersión diferencial/diferencial (S21 DD) en el dominio frecuencial (véase la fig. 4).

Ambas medidas muestran una buena conformidad en la banda de 0 Hz a 16 GHz. La desviación de la magnitud es inferior a 1 dB, y la de la fase, inferior a 5°.

Resumen

Los osciloscopios R&S®RTP y R&S®RTO analizan la integridad de señal de señales digitales de alta velocidad. Los osciloscopios miden con precisión componentes de la fluctuación de fase habituales como la TJ, RJ, PJ y la DDJ. Los osciloscopios también analizan de manera inherente la función de transferencia, que causa la DDJ. La caracterización separada de componentes individuales de la ruta de la función de transferencia presenta problemas de accesibilidad, y normalmente se desconoce la impedancia de salida del driver de la señal en frecuencia. En consecuencia, la medida inherente de la función de transferencia es un elemento fundamental para entender las causas de la DDJ.