Ursachen, Auswirkungen, Messlösungen
Sechs Schritte zur Analyse von Nebensprechen
Die Auswirkungen des Nebensprechens gehören heute zu den größten Herausforderungen für Entwickler. Doch was genau ist eigentlich Nebensprechen? Wie entsteht es? Und welche Möglichkeiten bietet die Messtechnik, um diesem Phänomen auf die Spur zu kommen und die daraus entstehenden Probleme zu lösen?
Das Nebensprechen ist heute aufgrund der zunehmenden Datenübertragungsgeschwindigkeiten und der höheren Schaltungsdichte in kleineren Geräten, bei denen mehrere Hochgeschwindigkeitssignale extrem nah beieinander liegen, besonders wichtig. Mit detaillierteren Informationen können Ingenieure wichtige Entscheidungen treffen, z. B. welche Reduzierung des Nebensprechens ihre Entwürfe verbessern und die Robustheit erhöhen wird.
Was ist Nebensprechen?
Nebensprechen ist eine Art der Verzerrung, die durch Amplitudeninterferenzen entsteht, die nicht mit den Datenmustern korreliert sind. Ein sauberes Signal, das „Opfer“, kann aufgrund eines Kopplungseffekts durch das Nebensprechen eines „Aggressor“-Signals beeinträchtigt werden. Der Aggressor verzerrt die Form des Opfersignals und verschließt das Augendiagramm des Opfersignals.
Anwender jedoch wollen ein sauberes Signal mit wenig oder gar keinem Nebensprechen, um ein weit offenes Augendiagramm zu erhalten und eine fehlerfreie Datenübertragung zu gewährleisten. Wenn Nebensprechen vorhanden ist, führt die Störung zu einer Verzerrung des Augendiagramms – was wiederum zu geringen Designmargen oder sogar zu Messfehlern führt, wie in Bild 1 dargestellt. Nebensprechen vermindert auch die vertikale und Jitter-Leistung des Opfersignals, was Interoperabilitätsprobleme in einer Kommunikationsverbindung verstärkt.
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Was verursacht Nebensprechen?
Für Entwickler ist es sehr wichtig, mit den Ursachen des Nebensprechens vertraut zu sein. Zwei der häufigsten sind die Übertragungsleitung und die Stromversorgung, wie in Bild 2 dargestellt.
Die Übertragungsleitung kann sich auf die serielle Datenleitung und die Stromversorgung in einem Geräte-Design auswirken und verschiedene Arten von Augenverzerrungen verursachen. Störungen der Stromversorgung auf der übertragenen seriellen Datenleitung können zu Rauschen und Jitter führen.
Auswirkung des Nebensprechens von Übertragungsleitungen auf das Opfer
Schnellere Datenübertragungsraten und mehr Lanes auf einer kleineren Schaltungsfläche finden sich in Designs wie den 100G-Standards mit vier parallelen 25 Gb/s-Leitungen und ASICs mit Hunderten von SerDes. Das hat zu einer Zunahme des Nebensprechens in Designs geführt. Elektromagnetische Interferenzen zwischen Schaltungskomponenten, die sich in unmittelbarer Nähe befinden, können ein Nebensprechen der Übertragungsleitungen verursachen. Übertragungsleitungen, die parallel zueinander verlaufen, können aufgrund ihrer kombinierten Induktivität und Kapazität, die die Energie eines Signals in das andere einkoppeln, ein Nebensprechen verursachen.
Bei der kapazitiven Kopplung fließt der Strom in beide Richtungen, während bei der induktiven Kopplung der Strom nur in die Gegenrichtung fließt. Wenn die beiden Ströme kombiniert werden, verstärken sie den Strom in umgekehrter Richtung. Der Rückstrom fließt zurück und wirkt sich auf den Sender aus und wird als „Nahnebensprechen“ (NEXT) bezeichnet. Der in Vorwärtsrichtung fließende Reststrom wirkt sich auf den Empfänger aus und wird als „Fernnebensprechen“ (FEXT) bezeichnet. Größe und Form dieser Signale unterscheiden sich stark voneinander, wie in Bild 3 dargestellt.
Ein NEXT-Aggressor bewegt sich in die entgegengesetzte Richtung des Opfersignals und kann eine „verschmierte“ Verzerrung des Augendiagramms des Opfers verursachen, wie in Bild 4 links dargestellt. Das ist auf die Addition der Flanke des Aggressors zurückzuführen, die sich an einer anderen Bitposition befindet als die des Opfers.
Das FEXT-Nebensprechen verläuft in der gleichen Richtung wie das Opfersignal. Die Datenrate und das Muster des Angreifers können die gleichen sein wie die des Opfers. In diesem Fall zeigt das Augendiagramm des Opfers eine Ausbuchtung, wie rechts in Bild 4 unten dargestellt, da der Angreifer dieselbe Kante oder Position in den Bits des Opfers beeinflusst.
Auswirkungen des Stromversorgungs-Nebensprechens auf das Opfer
Ein stromversorgungsbedingter Jitter (Power Supply-Induced Jitter, PSIJ) wird durch eine Stromversorgung verursacht, die hochfrequentes Rauschen und eine niederfrequente Welligkeit erzeugt. Beim Durchlaufen der Phased Locked Loop wird das Rauschen in Jitter umgewandelt und führt zu einem horizontalen Schließen des Auges des seriellen Datenopfers, wie in Bild 5 dargestellt.
Spannungsabhängiges Amplitudenrauschen (Voltage-Dependent Amplitude Noise, VDAN) wirkt sich ebenfalls auf das serielle Datenopfer aus, indem es Rauschen von den Spannungsreferenzen einbringt. Die logische Null ist in der Regel mit der Masse verbunden, während die logische Eins mit Vcc verbunden ist, sodass jegliches Rauschen auf der Masse oder Vcc die logische Eins oder die logische Null beeinflusst. Bild 6 unten zeigt eine Rampe der Aggressor-Signale Logic High und Vcc sowie des Logic-Low-Signals. Die Aggressor-Signale Logic High und Vcc haben ähnliche Amplitudenrampen, sodass ein Nebensprechen auftreten und die seriellen Daten beeinflussen kann. In diesem Fall wird das logische Low-Signal nicht wie das logische High-Signal beeinflusst, was zu einem Augendiagramm mit einem dickeren High-Pegel und einem vertikalen und horizontalen Augenschluss führt.
Wie lassen sich Herausforderungen bei der Analyse des Nebensprechens lösen?
Je nach Bauart des Geräts wurden verschiedene Methoden angewandt, um Quellen des Nebensprechens zu ermitteln und ihre Auswirkungen zu verringern oder zu beseitigen.
Manuelles Isolieren von Stromkreisen
Ingenieure messen seit Jahren das Nebensprechen in digitalen Kommunikationssystemen, indem sie selektiv einige Kanäle deaktivieren und andere aktivieren und die Ergebnisse der Augendiagramme vergleichen. Ingenieure müssen die Nebensprech-Effekte im System messen, während sie in speziellen Testmodi arbeiten. Diese Methode ist nicht ideal, da sie nicht den tatsächlichen Betrieb des Entwurfs widerspiegelt. Gleichzeitig ist sie nur teilweise funktionsfähig, und häufig können Designs nicht in diesem speziellen Modus betrieben werden. Wenn ein Design ein geschlossenes Auge aufweist, müssen die Ingenieure manuell bestimmen, welcher Schaltkreis die Ursache für das Nebensprechen ist, und ihn entfernen.
Simulieren einer seriellen Datenleitung
Ein Vektornetzwerkanalysator (VNA) kann zur Charakterisierung des Nebensprechens zwischen seriellen Datenleitungen oder S-Parameter-Modellen verwendet werden. Dann wird ein Oszilloskop mit Software-Tools und den erworbenen S-Parameter-Modellen verwendet, um die Wellenformverzerrung durch das Opfersignal zu simulieren. Diese Methode kann nur während der Simulation verwendet werden und erfordert bekannte Quellen des Nebensprechens. Das ist nicht hilfreich, wenn man versucht, eine reale Quelle des Nebensprechens für ein Design zu identifizieren oder das Nebensprechen zu entfernen, um eine Margenverbesserung zu bestimmen.
Simulation der Stromversorgung
Die Charakterisierung der Stromversorgung mithilfe der Simulation ist nicht so einfach wie die Simulation für die seriellen Datenleitungen. Das liegt an der nichtlinearen Verzerrung des Opfersignals, die durch das Rauschen der Stromversorgung verursacht wird. Ein VNA kann nicht verwendet werden, um das Nebensprechen der Stromversorgung zu charakterisieren, da es sich um eine nichtlineare Übertragungsfunktion zum Opfer handelt.
Analyse des seriellen Datenausgangs
In manchen Situationen ist das in einem Design erzeugte Nebensprechen nicht zugänglich, um es zu testen, zu simulieren oder gar die wahre Quelle zu bestimmen. Ein Beispiel hierfür ist das Nebensprechen innerhalb eines integrierten Schaltkreises, bei dem der serielle Hochgeschwindigkeits-Datenausgang das einzige zugängliche Signal ist. Ein weiteres Beispiel sind hochdichte Backplane-Steckverbinder und Schalter, die sehr anfällig für Nebensprechen sein können. Die Lokalisierung oder Isolierung der Quelle des Nebensprechens in diesen Bereichen ist schwierig, da es fast unmöglich ist, einzelne Signale zu messen.
Messungen miteinander in Verbindung bringen
Die Synchronisierung der Messungen von Opfer- und Aggressorsignalen ist notwendig, um die Auswirkungen des Nebensprechens auf das Opfer zu analysieren. Ein Oszilloskop wird verwendet, um die Signale gleichzeitig zu erfassen. Ingenieure müssen darauf achten, dass es nicht zu unerwünschten Verzögerungen zwischen den Signalen kommt, die durch die Ausbreitungsverzögerung des Nebensprechens, Signalzugriffspunkte und Unterschiede in den Messkabeln verursacht werden können.
Verwendung idealer Zugangspunkte (oder Abtastpunkte)
Auf diese Weise sollen die Auswirkungen des Kontakts mit dem Messgerät auf die Signale minimiert werden. Die empfohlenen Zugangspunkte variieren je nachdem, ob das serielle Datensignal, das Stromversorgungs-Aggressor- oder das Stromversorgungs-Opfersignal analysiert wird. Nachfolgend sind die empfohlenen Tastkopfpositionen für die beste Signaldarstellung aufgeführt:
Nebensprechen serieller Daten
Opfer: Tastkopf in der Nähe des Empfängers, um das Signal zu sehen, wie er es empfängt
Aggressor: Tastkopf in der Nähe des mutmaßlichen Nebensprechers, um das auffälligste Aggressor-Signal zu erkennen
Mehrere Opfer und Aggressoren: Tastkopf in der Nähe des Empfängers
Stromversorgungs-Aggressor
Opfer: Tastkopf in der Nähe des Empfängers
Aggressor: Tastkopf an beliebiger Stelle entlang des gleichen Spannungsknotens wie der vermutete Aggressor-Stromversorgungspin
Stromversorgungs-Opfer
Opfer: Tastkopf an einer beliebigen Stelle entlang desselben Spannungsknotens, an dem eine Nebensprechverzerrung beobachtet wird
Aggressor: Tastkopf in der Nähe des vermuteten Senders, um das auffälligste Aggressor-Signal zu erkennen
Geräte effektiv und effizient entwerfen
In Anbetracht der heutigen Möglichkeiten zur Analyse des Nebensprechens würde eine ideale Lösung mit einer einfacheren Möglichkeit beginnen, die Quellen zu identifizieren und festzustellen, welche Signale mit dem/den Opfer(n) gekoppelt sind. Entwickler können dann den durch jeden Aggressor verursachten Fehler quantifizieren und das Signal ohne die zusätzlichen Effekte des Aggressors simulieren, um die mögliche verbesserte Marge und die Fähigkeit Tests zu bestehen zu ermitteln. Auf diese Weise können Entwickler feststellen, wo sie Zeit investieren und sparen können oder ob sie bestimmte Aggressoren entfernen müssen, um das Geräte-Design zu verbessern.
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