Was ist die bessere Lösung für die Validierung serieller Hochgeschwindigkeitsverbindungen? Hardware- oder softwarebasierte Oszilloskop-Funktionen

Echtzeit-Oszilloskope, wie jene der Agilent-Serie DSO80000B (2 bis 13 GHz Bandbreite), bieten Funktionen, welche die Validierung serieller Hochgeschwindigkeitsverbindungen erleichtern – beispielsweise Taktrückgewinnung, Ereignisidentifizierung oder Augendiagramm-Messfunktion. Vielen Oszilloskop-Anwendern ist nicht bewusst, dass diese Funktionen entweder in Hardware oder in Software implementiert werden können. Dieser Beitrag untersucht die Vor- und Nachteile der beiden Implementationsansätze für jede der genannten Funktionen.

Echtzeit-Oszilloskope, wie jene der Agilent-Serie DSO80000B (2 bis 13 GHz Bandbreite), bieten Funktionen, welche die Validierung serieller Hochgeschwindigkeitsverbindungen erleichtern – beispielsweise Taktrückgewinnung, Ereignisidentifizierung oder Augendiagramm-Messfunktion. Vielen Oszilloskop-Anwendern ist nicht bewusst, dass diese Funktionen entweder in Hardware oder in Software implementiert werden können. Dieser Beitrag untersucht die Vor- und Nachteile der beiden Implementationsansätze für jede der genannten Funktionen.

Die „Taktrückgewinnung“, „Ereignisidentifizierung“ und „Augendiagramm-Messfunktion“ werden im Folgenden der Reihe nach beschrieben und es wird gezeigt, wie man sie zur Validierung einer seriellen Datenverbindung nutzen kann. Anschließend kommt zur Sprache, wie eine Hardware- und eine Software-Implementation der betreffenden Funktion aussehen.

Taktrückgewinnung bis zur vollen Arbeitsgeschwindigkeit des Oszilloskops

Im Datenstrom einer seriellen Verbindung ist ein implizites Taktsignal eingebettet, das die Datenübertragungsrate (beispielsweise 2,5 Gbit/s) vorgibt und das der Empfänger benötigt, um die Folge aus Einsen und Nullen korrekt interpretieren zu können. Der zurückgewonnene Takt dient auch als Referenzzeitpunkt für diverse Jitter-Messungen. Will man beurteilen, ob die Verbindung ordnungsgemäß funktioniert oder nicht, so muss man zunächst den impliziten Takt mit möglichst hoher Genauigkeit zurückgewinnen. Manche Echtzeit-Oszilloskope bieten eine Hardware- und andere eine Software-Taktrückgewinnung; einige bieten sogar beide Implementationen zur Auswahl.

Bei der Hardware-Taktrückgewinnung leitet eine spezielle Hardware aus dem empfangenen Datenstrom ein reales Taktsignal her. Dieses Signal wird niemals völlig perfekt sein, sondern Jitter und Zeitverschiebungen aufweisen, die auf Unzulänglichkeiten der Taktrückgewinnungsschaltung zurückzuführen sind. Der wichtigste Vorteil der Hardware-Taktrückgewinnung besteht darin, dass sie ein reales Signal liefert, das für Synchronisationszwecke zu einem anderen Gerät oder Messgerät gesendet werden kann. Dieses Signal ist ständig – ohne Totzeiten – verfügbar. Die Nachteile der Hardware-Taktrückgewinnung sind der bereits erwähnte Jitter sowie die Tatsache, dass oszilloskop-taugliche Taktrückgewinnungsschaltungen in der Regel nicht als Standard-Chips erhältlich sind, sondern vom Oszilloskop-hersteller speziell für diesen Zweck entwickelt werden müssen. Die Hardware-Taktrückgewinnung ist derzeit auf Datenübertragungsraten bis maximal 1,25 Gbit/s begrenzt. Wegen des von der Taktrückgewinnungsschaltung hervorgerufenen inkrementellen Jitters eignet sich diese Methode nicht für präzise Messungen, hochgenaue Datenrückgewinnung oder Augenmaskentests.

Bei der Software-Taktrückgewinnung wird ein ideales Taktsignal aus einer benutzerdefinierten Beschreibung abgeleitet oder, ausgehend von einer Software-Analyse des Datensignals, algorithmisch erzeugt. Intelligente, assistentengestützte Verfahren bieten beide Möglichkeiten zur Auswahl (Bild 1).

Die Software-Taktrückgewinnung funktioniert bis zur vollen Arbeitsgeschwindigkeit des Oszilloskops und liefert ein ideales, jitterfreies Signal. Ein Oszilloskop, das einen Assistenten zum Konfigurieren der Taktrückgewinnung bietet, kann sich bei der Durchführung präziser und reproduzierbarer Jitter-Messungen und Maskentests als sehr hilfreich erweisen. Solche assistentengestützten Oszilloskope sind oft auch noch in anderer Hinsicht flexibler. Einige Software-Taktrückgewinnungssysteme bieten zusätzlich die Möglichkeit, ein explizites (reales) Taktsignal in die Analyse einzubeziehen. Serielle Verbindungen, die mit einem expliziten Taktsignal (Referenztaktsignal) arbeiten, sind eher selten, aber es gibt sie durchaus.