Fehler im Physical Layer Einen PHY-Layer-Test frühzeitig bei der Entwicklung einplanen

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Mit steigenden Datenraten erhöhen sich auch die Anforderungen an Leiterplatten, Steckverbinder und Transceiver. Daher sind elektrische Tests für Schnittstellen wie PCIe und MIPI A-PHY bereits während der Entwicklungsphase empfehlenswert.

Bei High-Speed-Schnittstellen können bereits winzige Abweichungen der Impedanz, eine zusätzliche Dämpfung oder Jitter die Übertragung beeinträchtigen. Solche Effekte entstehen nicht nur im Transceiver. Auch Gehäuse, BGA-Übergänge, Vias, Leiterbahnen, Steckverbinder und die Gegenstelle sind betroffen. Sie alle beeinflussen die Qualität des Übertragungskanals.

BitifEye Digital Test Solutions mit Sitz in Böblingen bietet unter anderem PHY-Layer- und Compliance-Tests für PCIe und MIPI A-PHY an. Laut dem Unternehmen ist das Labor das erste von der MIPI Alliance autorisierte Testlabor – „Authorized Test Lab“, ATL – für das A-PHY-Compliance-Programm.

Signalqualität auf der physikalischen Ebene prüfen

Zu den Messgrößen bei elektrischen Tests gehören unter anderem zufälliger, deterministischer und gesamter Jitter sowie Insertion Loss, Return Loss und Common-Mode-Anteile. Welche Parameter geprüft werden und welche Grenzwerte gelten, hängt vom jeweiligen Standard, der Datenrate und der Testversion ab.

Bei PCIe, MIPI A-PHY, USB, HDMI und Automotive Ethernet kommen deshalb unterschiedliche Prüfverfahren und Testaufbauten zum Einsatz. Die Ergebnisse müssen zudem im Zusammenhang mit der verwendeten Messumgebung bewertet werden. Dazu gehören beispielsweise Test-Fixtures, Messpunkte, Kalibrierung und De-Embedding.

Fehler rechtzeitig erkennen

Frühe Messungen können zeigen, ob der Entwurf ausreichende Signal- und Timing-Margen besitzt. Probleme bei Terminierung, Leiterplattenlayout oder Equalizer-Einstellungen lassen sich in dieser Phase noch gezielt untersuchen. Wird ein Fehler erst nach der Designfreigabe oder bei der Systemerprobung erkannt, können Änderungen an Leiterplatte, Bauteilen oder Mechanik erforderlich werden.

Ein Testbericht kann außerdem als technische Referenz dienen, wenn Komponenten ausgetauscht werden. Das betrifft beispielsweise SerDes-Bausteine, Retimer, Steckverbinder oder Leiterplattenmaterialien. Die Ergebnisse der neuen Implementierung lassen sich dann mit den Messwerten des ursprünglichen Designs vergleichen.

„Ein erfahrenes Testlabor überprüft nicht nur die Compliance, sondern kann im Fehlerfall auch gezielt bei der Ursachenanalyse und Lösungsfindung unterstützen“, sagt Jan Claes, Director Testing & Certification bei BitifEye. Das sei insbesondere dann relevant, wenn ein Design kurz vor der Markteinführung geändert werden müsse.

Compliance-Test als ein Teil der Validierung

Mit einem bestandenen Compliance-Test lässt sich nachweisen, dass eine Implementierung die definierten Anforderungen de s jeweiligen Standards unter den festgelegten Testbedingungen erfüllt. Damit wird allerdings keine vollständige Systemvalidierung ersetzt. Zusätzlich müssen Entwickler unter anderem Temperatur, Versorgungsspannung, reale Lastprofile, Alterung und das Zusammenspiel mit den vorgesehenen Gegenstellen berücksichtigen. Zusätzlich ist zu prüfen, wie die jeweilige Protokollimplementierung Übertragungsfehler erkennt und behandelt und wie die Anwendung auf ungültige, verspätete oder fehlende Daten reagiert.

Ein PHY-Fehler führt nicht automatisch dazu, dass Daten unbemerkt verfälscht werden. Je nach Schnittstelle und Systemarchitektur können Fehler erkannt, Datenpakete wiederholt oder Verbindungen überwacht werden. Ob ein elektrisches Problem Auswirkungen auf die Systemfunktion oder auf eine sicherheitskritische Anwendung hat, hängt von den eingesetzten Fehlererkennungs- und Sicherheitsmechanismen ab.

Für kleinere und mittelständische Entwicklungsabteilungen kann der Aufbau eines eigenen Labors aufwendig sein. Dazu notwendig sind breitbandige Messgeräte, geeignete Test-Fixtures, Auswertesoftware sowie Personal mit Erfahrung in der Hochgeschwindigkeitsmesstechnik. Der Rückgriff auf ein externes Labor kann diese Infrastruktur bereitstellen und zusätzlich bei der Fehlersuche unterstützen. (heh)

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