Von der Simulation bis zur Messung

Ein von Keysight Technologies herausgegebener Applikationsbericht zum Thema Signal integrität bietet dem Leser folgende Themenbereiche:

■ Kanalsimulation

■ Bestimmung der Grundursache einer Signalverschlechterung

■ Erforschung und Design von Signalintegritätslösungen

■ Analyse von Messungen der Signalintegrität

Rechenzentren sind auf Kanäle in Sende­ und Empfangssystemen angewiesen, um wertvolle Informationen genau und effizient liefern zu können. Ein schlecht funktionierendes Kanalteil kann Probleme mit der Signalintegrität verursachen und die Lieferung von erfassbaren Daten gefährden. Daher ist die Entwicklung von Kanalsystemen und Verbindungen mit hoher Signalintegrität von entscheidender Bedeutung. Das Testen und Identifizieren der Quellen von Signalintegritätsproblemen in einem System und die anschliessende Behebung dieser Probleme ist eine grosse Herausforderung.

Frühzeitige Behandlung von Signalintegritätsproblemen ermöglicht

Der oben erwähnte Applikationsbericht enthält Simulations­ und Messempfehlungen, die beim Design eines Systems mit hoher Signalintegrität helfen sollen.

Eine CPU, die Informationen an eine LEDAnzeige sendet, ist ein gutes Beispiel für einen digitalen Kommunikationskanal. Der Kanal – alles zwischen der CPU und der Anzeige – umfasst Verbindungselemente wie eine Grafikkarte, Kabel und einen integrierten Videoprozessor.

Jedes Kanalelement, sowie die Verbindungen zwischen ihnen, schaffen Möglichkeiten für Störungen oder Interferenzen der von der CPU übertragenen Daten.

Zu den Problemen mit der Signalintegrität können auch Übersprechen, Verzögerungen, Klingeln und elektromagnetische Interferenzen gehören. Die frühzeitige Behandlung von Signalintegritätsproblemen ermöglicht die Entwicklung von Hochleistungsprodukten mit höherer Zuverlässigkeit und geringeren Kosten.

Kanalsimulation

Ingenieure verwenden Software zur Automatisierung des Elektronikdesigns, um eine Schaltungssimulation zu erstellen. Diese Software bietet eine schnelle und genaue Kanalsimulation mit Bit­für­Bit­ und statistischer Simulationstechnologie. Eine algorithmische Modellierungsschnittstelle ist ein Standard, der in Designsoftware verwendet wird, um eine einfache Simulation von seriellen Multi­Gigabit­Verbindungen (Senden zum Empfangen) zu ermöglichen.

Ingenieure verwenden neben der Simulationssoftware auch Signalanalysetools, wie zum Beispiel das Augendiagramm, mixedmode S-Parameter, Zeitbereich-Reflektometrie und Einzelimpulsreaktion.

Bei der Simulation der Datenübertragung vom Sender zum Empfänger ist das Augendiagramm, das ein Oszilloskop anzeigt, das Analysewerkzeug, das die Bewertung der Kanalperformance erleichtert (weitergehende Erläuterungen im Applikationsbericht).

Grundursache des Signalabbaus

S­-Parameter sind der De­facto­Standard für Ingenieure, um das Frequenzverhalten eines bestimmten Systems zu beschreiben. Die SParameter einer Verbindung, ob im Zeit­ oder Frequenzbereich gemessen, stellen ein Verhaltensmodell der Zusammenschaltung dar. Sie enthalten alle Informationen darüber, wie sich ein in einen Port eintretendes Signal beim Verlassen eines anderen Ports verhält.

Um die Grundursache der Signalverschlechterung zu ermitteln, ist es wichtig, zunächst die zu erwartenden Werte der SParameter zu bestimmen. Der Vergleich der zu erwartenden Werte mit den gemessenen Werten hilft, den Kanalbereich zu identifizieren, der die Signalintegrität verschlechtert.

Als Nächstes sollte man einen tieferen Blick auf das System oder die Verbindungen werfen, um die Grundursache zu ermitteln. Bei differenziellen Kanälen ermittelt man die Ursache, indem man mixed­mode S­Parameter für die Analyse verwendet.

Entzerrungstechnik mit logischen Entscheidungen

Ein weiterer wichtiger Aspekt bei der Ursachenforschung ist auch die Anwendung der DFE (Decision Feedback Equalization), eine so genannte Entzerrungstechnik, die logische Entscheidungen trifft (ob ein Bit eine 0 oder eine 1 ist) und diese Informationen zurückführt, um zu entscheiden, ob das aktuelle Bit ein «1» oder eine «0» ist. Der Algorithmus wird zuerst mit den richtigen Bitwerten (hoch oder niedrig) für die ersten mehreren Bits «geimpft», um ihn zu starten. Unter der Annahme, dass der Algorithmus die anfänglichen Bitwerte korrekt ermittelt hat, kann er vorherige Bitwerte weiterleiten, um das aktuelle Bit zu ermitteln (weitere, tiefere Einblicke bietet der Applikationsbericht).

Signalintegritätslösungen

Sobald die Ursache der Signalverschlechterung entdeckt wird, muss man mögliche Korrekturen untersuchen und die beste Lösung finden. Am Anfang sollte eine Simulation stehen, um mit ihr die Beseitigung eines fehlerhaften Designteils zu testen – und zu verifizieren, dass man die Ursache der Signalintegritätsverschlechterung gefunden hat.

Analyse der Messungen

Während ein Produktdesign von der Simulation zur Hardware fortschreitet, benötigt man einen Vektor­Netzwerkanalysator (VNA), um die digitalen Hochgeschwindigkeitsverbindungen zu testen. Man sollte jetzt erst einmal festlegen, welche Messergebnisse man für den Kanal, den Physical­Layer­Bereich, den Steckverbinder, das Kabel, die Backplane oder die Leiterplatte erwartet.

Diese Informationen liefern Vergleichswerte, sobald die Messergebnisse vorliegen. Das Ziel ist es, einen robusten Signalintegritäts-Workflow sowohl mit der Software als auch mit der Hardware zu etablieren. Die Hardware­Messschritte umfassen die Einrichtung der Gerätemessung, die Erfassung von Kanaldaten und die Analyse der Kanalperformance (mehr dazu im Applikationsbericht, einschliesslich Kalibrierung, De­embedding und Problemlösungen).

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