Analyse serieller Signale Hardwarebasierte Augendiagramme für schnellere Signalintegritätstests

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Augendiagramme sind ein praktisches Hilfsmittel für Signalintegritätstests. Um sie zu berechnen, arbeitet das Oszilloskop R&S RTP von Rohde & Schwarz erstmals mit einem hardwarebasierten Ansatz. Dadurch ergeben sich deutliche Geschwindigkeits­vorteile bei der Analyse serieller Signale.

Mit einem Augendiagramm können Entwickler Jitter und Rauschen in einem Datensignal sofort auf einen Blick erkennen. Außerdem geben Augendiagramme eine schnelle Übersicht darüber, wie robust eine Datenübertragung ist. Ihre große Bedeutung in der Testlandschaft zeigt sich außerdem darin, dass mittlerweile viele Standards von schnellen Busschnittstellen Augenmasken für den Test der Signalintegrität definieren. Das ist beispielsweise bei USB und PCI-Express der Fall.

Für eine zuverlässige Analyse bedarf es einer hohen Anzahl an Datenbits, die übereinander gelagert das Datenauge formen. Um die einzelnen Bits aus dem Datenstrom zu extrahieren und korrekt zu überlagern, ist eine bitbezogene Zeitreferenz nötig. Dies kann ein zweites Signal (Clock, Data Strobe) sein, wie es bei den parallelen DDR-Schnittstellen der Fall ist.

Die Besonderheiten bei seriellen Datensignalen

Bei seriellen Signalen ist das Taktsignal (Clock) im Datenstrom eingebettet. Damit ein Oszilloskop es als Referenz zur Darstellung von Augendiagrammen nutzen kann, muss es zuerst über eine Clock-Data-Recovery (CDR) wiedergewonnen werden. Dieser Schritt geschieht in aller Regel in der softwaregeführten Nachbearbeitung des Datensignals und erfordert eine gewisse Rechenzeit. Das finale Augendiagramm zeigt die Signalqualität mit Parametern wie Höhe und Breite des Augeninneren, Zeit- und Amplitudenfehler in Form von Jitter und Rauschen oder auch das Wirken von Vorverzerrern.

Deutlich schneller mit hardwaregeführter CDR

Die Entwickler von Rohde & Schwarz haben eine hardwaregeführte Clock-Data-Recovery (HW-CDR) entwickelt, die dem Anwender erstmals im High-Performance-Oszilloskop R&S RTP zur Verfügung steht. Da die Clock-Data-Recovery direkt in die Triggerhardware integriert ist, entfällt die Berechnung per Software und spart Zeit. Damit eröffnet sich ein völlig neuer Ansatz für die Augenanalyse serieller Signale.

Der HW-CDR kann wahlweise jeden Eingangskanal des Oszilloskops als Quelle nutzen, unterstützt Datenraten bis zu 16 GBit/s und erlaubt die Konfiguration der Tracking-Bandbreite von 1/500 bis zu 1/3.000 der nominalen Bitrate. Nach erfolgreichem Einrasten auf das DUT-Signal läuft der HW-CDR kontinuierlich. Die Zeitstempel werden parallel zu den Messkurvendaten im Erfassungsspeicher abgelegt und stehen neben der Augenberechnung auch als mathematisches Signal für weitere Analysen zur Verfügung.

Mit der HW-CDR als Trigger wird erstmals eine Augenanalyse quasi in Echtzeit möglich. Dazu akquiriert das Oszilloskop kurze Signalsequenzen und stellt diese sofort im Diagramm dar. Bei unendlich gewählter Persistence-Einstellung baut sich dann schnell das Augendiagramm auf. Das Oszilloskop erreicht dabei eine maximale Rate von mehr als 400.000 Unit Intervalls (nominale Bitbreite) pro Sekunde. Damit können auch sporadische Fehler wie Übersprechen von benachbarten Komponenten schnell und zuverlässig detektiert werden.

Mit Maskentests und Histogrammen sind weitere Analysen möglich, ohne die Erfassungsrate nennenswert zu bremsen. Dazu gehören auch Langzeitbeobachtungen, bei denen beispielsweise Maskentestfehler zum Stopp der Messung führen, um Fehlerquellen weiter erforschen zu können. Die hohe Erfassungsrate der HW-CDR stellt sicher, dass auch bei langen Beobachtungszeiträumen schnelle und nur sporadisch auftretende Signale nicht übersehen werden.

Vom schnellen Einstieg bis zur detaillierten Analyse

Nach der Darstellung des Augendiagramms sind weitere Detailanalysen möglich. Neben einfachen Cursor-Messungen bietet das Oszilloskop eine große Auswahl an automatisierten Augenmessungen. Eine wichtige Funktion ist der Augenmaskentest. Signalverläufe durch eine Maskenfläche werden als Verletzungen registriert. Das R&S RTP bietet für viele Standards bereits vorgefertigte Masken an. Ansonsten können Masken auch schnell selbst direkt am Bildschirm oder über bestimmte Vorgaben im Maskendialog erstellt werden.

Die Funktion „Eye Stripe“ markiert eine Verletzung der Augenmaske als roten Strich an der entsprechenden Stelle in der Originalmesskurve. Dies erleichtert die Ursachenforschung bei Maskenverletzungen. Bei aktivierter Zoom-Kopplung fokussiert die Zoom-Funktion die Messkurve auf die aktuell in der Ergebnistabelle ausgewählte Verletzung. Die Augendiagramme zeigen den Signaljitter an den Bitübergängen links und rechts und das Signalrauschen an den Signalamplituden in der zeitlichen Mitte des Auges. Die Histogrammfunktion stellt die Verteilung von Jitter und Rauschen übersichtlich und auf einen Blick erfassbar dar. Mit der Separationsoption für Jitter und Rauschen (R&S RTP-K134) ist eine weitere Zerlegung der jeweiligen Komponenten möglich.

Der R&S RTP bietet umfangreiche Möglichkeiten zur Analyse der Signalintegrität elektrischer Signale. Mit der Advanced Eye Option RTP-K137, die Datenraten bis 16 GBit/s unterstützt, steht erstmals ein integrierter HW-CDR als Trigger zur Verfügung. Damit ist sowohl die schnelle Erfassung kurzer Bitsequenzen für ein schnelles Augendiagramm als auch die Analyse langer Bitsequenzen gemäß Teststandard möglich.

* Guido Schulze ist Produktmanager bei Rohde & Schwarz in München.

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