Analisi dell’integrità del segnale per interfacce di comunicazione dati ad alta velocità

Attività da eseguire

Dovete caratterizzare un’interfaccia di comunicazione dati ad alta velocità, come PCIe, USB, SATA o HDMI™. La valutazione dell'integrità del segnale è una parte importante di questa caratterizzazione. Una delle sfide da affrontare è riuscire a collegare correttamente il dispositivo in prova all’attrezzatura di misura e collaudo. Lo strumento utilizzato potrebbe essere un oscilloscopio, un analizzatore di spettro o un analizzatore di reti vettoriale. Tipicamente, queste interfacce sono progettate per l'utilizzo in prodotti di largo consumo e dispongono di connettori commerciali a basso costo con caratteristiche RF indefinite, a differenza, ad esempio, di un connettore SMA. È necessario utilizzare un’attrezzatura di prova che faccia da ponte tra l’interfaccia di comunicazione dati ad alta velocità e lo strumento di misura, ma l'attrezzatura di prova influenzerà inevitabilmente anche le misure, un dato di fatto che non può essere trascurato. Le tecniche di deembedding sarebbero un’opzione interessante, ma la caratterizzazione di queste attrezzature è una sfida.

Soluzione Rohde & Schwarz

Gli oscilloscopi R&S®RTP e R&S®RTO2000 sono in grado di effettuare un’analisi approfondita dell’integrità del segnale. L’analisi del jitter fornisce una ripartizione dei parametri chiave. Tutti i parametri, tranne il tasso di errore di bit (BER), possono essere visualizzati nel dominio del tempo come una traccia, nel dominio della frequenza come uno spettro e statisticamente come un istogramma.

Inoltre, l’opzione jitter avanzata R&S®RTP-K133/RTO-K133 introduce due nuove caratteristiche che estendono l’analisi oltre questi ben noti parametri di jitter:

• Diagramma a occhio sintetico: permette all’utente di esplorare l’effetto di determinati parametri di jitter sull’occhio dei dati
• Misura intrinseca della risposta al gradino del canale di trasmissione: comprende le caratteristiche dipendenti dai dati del dispositivo in prova, l’attrezzatura di prova e il cablaggio

La risposta al gradino è molto importante, perché copre l’influenza dell’attrezzatura di prova sull’analisi dell’integrità del segnale. Si possono eseguire varie misure basate sulla risposta al gradino per comprendere l’influenza dell’attrezzatura di prova sull’analisi.

Applicazione

A titolo di esempio, questa scheda applicativa descrive l’analisi di un segnale differenziale (8,125 Gbps, PRBS31) generato durante un test sul tasso di errore di bit (BERT) con clock a spettro diffuso (SSC) e nessuna aggiunta di jitter. Il segnale si propaga su una lunga traccia di una scheda PCIe Gen4 ISI (PCIe-VAR-ISI). L’interferenza intersimbolica (ISI), introdotta dalla scheda, era il contributo dominante al jitter. Questa particolare configurazione permette la verifica della risposta al gradino utilizzando un analizzatore di reti vettoriale (VNA), che viene descritta alla fine.

È importante analizzare il jitter nello stesso modo in cui il ricevitore riceverebbe i dati e ne eseguirebbe il recupero del clock. L’oscilloscopio cattura, quindi, i dati differenziali trasmessi e utilizza un circuito di recupero hardware dei dati di clock (CDR) per eseguire il triggering del segnale dati (vedere Fig. 1). Notare l’elevata velocità di aggiornamento (122.000 forme d’onda/s) dell’oscilloscopio ad alte prestazioni R&S®RTP.

Prima dell’analisi, il tempo di acquisizione va impostato su un valore che consideri la risoluzione minima di frequenza richiesta per l’analisi del jitter periodico. Per ottenere una risoluzione fino a 40 kHz, che è nella gamma di frequenze utilizzate negli alimentatori a commutazione (SMPS), e una frequenza di campionamento di 40 Gsample/s, la lunghezza del record è impostata su 2 Msample (= 2 × (frequenza di campionamento) / (frequenza di commutazione SMPS)) e di conseguenza il tempo di acquisizione su 50 μs.

L’algoritmo di decomposizione del jitter analizza il canale differenziale come un segnale senza ritorno a zero (NRZ). Il circuito CDR necessario è configurato con un PLL (phase-locked loop) del secondo ordine con una larghezza di banda di 16 MHz.

La decomposizione del jitter riportata in Fig. 2 mostra i risultati in una tabella e i dati statistici come istogrammi (TJ, RJ, PJ, DDJ¹)), che come previsto sono dominati dal componente DDJ. La curva a vasca da bagno del BER illustra un buon accordo tra il BER misurato e quello calcolato. La parte nuova in questa decomposizione è la risposta al gradino stimata mostrata al centro della Fig. 2. La risposta al gradino è il risultato di un gradino ideale applicato alla funzione di trasferimento del canale. Un’attrezzatura di prova non calibrata sarebbe intrinsecamente parte di questa stima.

¹ TJ: jitter totale, RJ: jitter casuale, PJ: jitter periodico, DDJ: jitter dipendente dai dati.

È possibile configurare la lunghezza della risposta al gradino utilizzata nella stima; in questo caso, è impostata a 75 UI. L’impostazione della lunghezza della risposta al gradino è governata da tre principi:

• Maggiore è la lunghezza della risposta al gradino configurata, più lungo è il tempo di calcolo.
• La lunghezza della risposta al gradino dovrebbe essere maggiore della memoria del canale. Una risposta al gradino lunga è vantaggiosa per effettuare un’analisi dettagliata della risposta al gradino.
• La lunghezza della sequenza nel modello dovrebbe essere maggiore della lunghezza della risposta al gradino.

Si può analizzare la risposta al gradino con strumenti familiari, come un cursore e le misure automatiche. Nell’esempio, il tempo di salita è misurato tramite un cursore. La misura del tempo di salita tr permette di stimare la larghezza di banda fB del canale, utilizzando l’approssimazione fB = 0,35 ⁄ tr, che è valida per un filtro passa-basso a polo singolo.

Un’analisi più dettagliata nel dominio della frequenza è quindi interessante. Caratteristiche come overshoot, droop e ringing della funzione di trasferimento sono visibili anche nel dominio della frequenza.

Oltre agli istogrammi e alla risposta al gradino stimata, la Fig. 3 mostra la funzione di trasferimento associata della risposta al gradino nel dominio della frequenza in ampiezza (vedere marcatore M1) e fase (vedere marcatore M2). Per calcolare la funzione di trasferimento nel dominio della frequenza sulla base di una risposta al gradino, il menu matematico offre una serie di funzioni [1]:

• Step2FreqRespNormMag(<canale>,<punti>)
• Step2FreqRespNormPhi(<canale>,<punti>,<ritardo>)

Come previsto, l’ampiezza mostra un’attenuazione dipendente dalla frequenza, causata principalmente da perdite dielettriche. L’effetto pelle è piuttosto piccolo. La fase mostra la dispersione della traccia. Per entrambe le tracce, ogni valore superiore a 16 GHz è rumore a causa della limitata larghezza di banda del canale. A 8,125 GHz, c’è un artefatto causato dal ritmo di trasmissione dei dati.

^[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.

Questa misura è stata confrontata con quella ottenuta con un VNA. Poiché la scheda PCIe Gen4 ISI introduce l’interferenza intersimbolica, la traccia associata è stata misurata (differenziale) e la funzione di trasferimento e il parametro di dispersione differenziale/differenziale (S21 DD) sono stati confrontati nel dominio della frequenza (ved. Fig. 4).

Entrambe le misure mostrano un buon accordo nella banda da 0 Hz a 16 GHz. L’ampiezza devia meno di 1 dB e la fase meno di 5°.

Riassunto

Gli oscilloscopi R&S®RTP e R&S®RTO2000 possono analizzare i segnali digitali ad alta velocità per caratterizzare l'integrità del segnale. Gli oscilloscopi misurano con precisione componenti di jitter ben noti come TJ, RJ, PJ e DDJ. Gli oscilloscopi analizzano anche intrinsecamente la funzione di trasferimento, che causa il DDJ. Una caratterizzazione separata dei singoli componenti del percorso di trasmissione è difficile a causa della difficoltà di accesso, e l’impedenza di uscita del driver del segnale sulla frequenza è tipicamente sconosciuta. Pertanto, la misura intrinseca della funzione di trasferimento è un elemento chiave per comprendere le fonti del DDJ.