Oszilloskope Schnelle Datenschnittstellen auf Herz und Nieren prüfen

Das 6-GHz-Oszilloskop der R&S RTO-Familie erfasst auch Datenraten bis zu 5 Gbit/s. Entwickler können mit ihm USB-3.1 und PCIe-2.0-Schnittstellen auf Signalintegrität prüfen und Fehler auf Protokollebene suchen.

Steigende Datenmengen sowie wachsende Verarbeitungs- und Austauschgeschwindig­keiten stellen Entwickler beim Board-Design vor immer größere Herausforderungen. Die am häufigsten verwendeten schnellen Datenschnittstellen sind die DDR-Speicherschnittstellen (DDR 2, 3 und 4 einschließlich der Low-Power-Varianten) sowie die seriellen Kom­­munikationsschnittstellen USB und PCI Express (PCIe).

USB ist mittlerweile omnipräsent, die Anwendungen reichen vom traditionellen PC- und Consumerelektronikbereich bis hin zur Automotive-, Industrie- und Medizintechnik. Die Stärken der USB-Schnittstelle sind neben den gesteigerten Datenraten von 5 Gbit/s beim Standard 3.1 Gen.1 (Superspeed) sowie von 10 Gbit/s bei Gen.2 (Superspeed+) auch verbesserte Stromversorgungs- und Ladefunktionen durch die Power-Delivery-Spezifikation. Eine weitere wichtige Innovation ist das vereinheitlichte Stecksystem. Der schlanke, auch für Mobilgeräte geeignete USB-Stecker Typ C erlaubt beliebige Steckorientierung, hohe Datenraten und eine erhöhte Leistungsaufnahme von bis zu 100 W (bei 5 A und 20 V Power-Delivery-Modus). Zudem unterstützt er neben dem USB-Standard auch Display-Port und Thunderbold.

Auch die PCIe-Schnittstelle findet immer mehr Verbreitung. Ursprünglich für die Computerindustrie entwickelt, ist sie heute auch in vielen Embedded-Anwendungen zur Anbindung zusätzlicher Geräte und Komponenten an die Recheneinheit oder zur Konvertierung von USB oder UART nach PCIe zu finden. Die leistungsstarke PCIe-Version 4.0 steht kurz vor der Einführung und bietet eine maximale Datenrate von 16 Gigatransfers pro Sekunde (GT/s). Für Embedded-Anwendungen eignen sich aber auch Schnittstellen der ersten und zweiten Generation, die mit 2,5 GT/s beziehungsweise 5 GT/s operieren. Generell muss jede neue Schnittstellengeneration auch die Operationsmodi der früheren Generationen unterstützen. Deshalb findet man heute häufig Geräte, die Schnittstellen der Genera­tion 2 oder 3 proklamieren, jedoch in der praktischen Anwendung nur die maximale Übertragung von 2,5 GT/s der ersten Generation verwenden und bei dieser auch getestet werden müssen.

Herausforderung Signalintegrität

Die sichere Datenübertragung über eine digitale serielle Schnittstelle wie USB oder PCIe beruht im physikalischen Layer auf der fehlerfreien Weitergabe binärer Signale. Entscheidend in der Übertragungskette sind Sender, Übertragungsleitung und Empfänger. An diesen Komponenten muss der Entwickler die Signalkonformität mit den entsprechenden Schnittstellenstandards sicherstellen.

In der Praxis liegt die Herausforderung hauptsächlich im Board-Design. Einerseits ist die Signalintegrität auf Übertragungsleitungen zu beachten, da beispielsweise Stecker, Durchkontaktierungen (Vias) oder Relais die Signalübertragung über PCB-Leitungen oder Kabel beeinflussen. Andererseits muss die schnelle Datenschnittstelle auch vor Störungen durch nahegelegene Baugruppen geschützt werden. Sind beispielsweise benachbarte Signalleitungen zu dicht angeordnet, kann es zu Übersprechen kommen, obwohl USB und PCIe differenzielle Signale verwenden.

Sender und Empfänger sind in den meisten Fällen Standardkomponenten, deren Spezifikation der Hersteller geprüft hat. Es kann aber zu Fehlern in der Beschaltung sowie zu Problemen bei der Güte und Stabilität des Referenztakts oder der Spannungsversorgung kommen, sodass diese ebenfalls während der Board-Entwicklung getestet werden müssen.

Signalintegritätstests mit Augendiagramm

Für die Bewertung der Signalqualität ist die Darstellung des digitalen Signals im Augendiagramm eine effektive Me­thode. Die Signal-Bits (Unit Interval, UI) werden dazu einzeln übereinander­geschrieben und visuell akkumuliert. Durch die verschiedenen Bit-Übergänge von 0 zu 1 und 1 zu 0 entsteht das typische Augendiagramm (Bild 1). In diesem sind eine Vielzahl der Güteparameter einer Signalübertragung ablesbar, beispielsweise in der horizontalen Achse die zeitliche Augenöffnung und der Jitter an den Augenseiten (Bit-Übergänge) sowie in der vertikalen Achse die vertikale Augenöffnung und das Rauschen.

Schnittstellenstandards für USB und PCIe definieren Masken für Augendiagrammtests, mit denen leicht geprüft werden kann, ob eine festgelegte minimale Augenöffnung gegeben ist, die für eine zuverlässige Datenübertragung garantiert werden muss. Bild 2 zeigt ein Beispiel aus der Spezifikation PCIe CEM Gen.2 mit der Datenrate 2,5 GT/s. Laut der Spezifikation muss das Signal am Transmitter einer Einsteckkarte (Add-in Card) für ein Transistion-Bit mit erhöhtem Spannungspegel eine vertikale Augenöffnung V subscript T X subscript A end subscriptzwischen 514 und 1200 mV einhalten. Die vertikale Augenöffnung V subscript T X subscript A _ d end subscript end subscript am Transmitter einer Add-in Card für ein non-Transistion-Bit mit entsprechendem Spannungspegel muss mindestens 360 mV betragen. Die minimale zeitliche Augenöffnung eines Transmitter-Signals einer Einsteckkarte T subscript T X subscript A end subscript ist mit mindestens 287 ps definiert.

Darstellung der Häufigkeit

Schaltungsentwickler erhalten durch ergänzende Histogramme horizontal durch die Bit-Flanken und vertikal durch die Augenmitte wertvolle Details über die Verteilung des Jitters und des Amplitudenrauschens. Eine Beispielmessung mit dem 6-GHz-Oszilloskop von Rhode & Schwarz R&S RTO zeigt Bild 3. Das Messsignal kommt von einer PC-Einsteckkarte mit einer Schnittstelle des Typs PCIe Gen.2 (Modus 2,5 GT/s). Das R&S RTO erfasst innerhalb von Sekunden mehrere Millionen Bits und kann damit Messkurven um ein Vielfaches schneller erfassen und darstellen als andere Geräte am Markt. Entsprechend schnell sind auch die Messwerte im Augendiagramm dargestellt. Dabei macht die farbliche Häufigkeitsdarstellung (Persistence) häufige und seltene Signalverläufe sichtbar. In der Augenmitte ist eine Maske entsprechend der PCIe-Spezi­fikation platziert. Die Software erfasst Augenverletzungen und zeigt Details an wie die Anzahl der erfassten Messkurven und Maskenverletzungen sowie die entsprechenden Fehlerraten. Im Histogramm an der rechten Augenflanke ist außerdem eine gaussförmige Jitterverteilung zu sehen. Am Histogramm sind weitere Messungen wie Peak-to-Peak-Jitter (Max-Min) oder RMS-Jitter (RMS: Root Mean Square) mit Standardabweichung möglich.