Schwerpunkte

Signalintegritätstests und Fehlersuche

Digitale Schnittstellen genau durchleuchten

02. März 2020, 12:36 Uhr   |  Guido Schulze

Digitale Schnittstellen genau durchleuchten
© Rohde & Schwarz

Die Oszilloskope der Familie R&S RTP lassen sich für alle Messungen an Highspeed-Schnittstellen mit Datenraten bis 10 GBit/s einsetzen.

Für den Test elektronischer Schaltungen mit digitalen Highspeed-Schnittstellen eignen sich die Oszilloskope der Familie R&S RTP von Rohde & Schwarz. Sie bieten sehr gute Signalintegrität, eine hohe Erfassungsrate und weitere nützliche Funktionen für effektiven Signalintegritätstest und -fehlersuche.

Die in elektronischen Geräten und Baugruppen eingesetzten USB- und PCI-Express-Schnittstellen sowie die Display- und Kameraschnittstellen mit ihren hohen Datenraten erfordern bei der Entwicklung eine leistungsfähige Labormesstechnik. Beim Design der Highspeed-Module und -Schnittstellen ist darauf zu achten, dass die Signalpfade über Stecker, Leiterplattenbahnen und Durchkontaktierungen (Vias) so dimensioniert sind, dass die Übertragungsverluste und Verzerrungen die angestrebte maximale Datenrate und minimale fehlerfreie Übertragungszeit (Bit Error Rate) nicht begrenzen.

Für die erforderlichen Signalintegritätsmessungen sind Realtime-Oszilloskope geeignet. Ihre Bandbreite muss jedoch mindestens dreimal so groß sein wie die fundamentale Frequenz des digitalen Signals. So erfordern beispielsweise Messungen an einer PCI-Express-Schnittstelle der 3. Generation mit einer maximalen Datenrate von 8 GBit/s ein 12-GHz-Oszilloskop. Für USB-Signale nach Standard 3.1 Gen2 mit 10 GBit/s sind 15 GHz Bandbreite nötig. Zur Dekodierung von Protokolldaten genügt theoretisch eine Messbandbreite, die der Datenrate der zu testenden Schnittstelle entspricht.

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Bild 1: Datenauge eines 5-GBit/s-USB-Signals unter Einsatz CDR-basierter Triggerung.

Die Oszilloskope der Familie RTP von Rohde & Schwarz mit ihren Bandbreiten von 13 GHz beziehungsweise 16 GHz lassen sich für alle Messungen an typischen Highspeed-Schnittstellen mit Datenraten bis 10 GBit/s einsetzen.

Integrierte Hardware-Clock-Data-Recovery für schnelle Augendiagrammtests
Um die Übertragungsqualität zu beurteilen, ist der Augendiagrammtest eines der wichtigsten Werkzeuge. Nur ein offenes Auge bestätigt die fehlerfreie Übertragung von Daten. Dabei müssen jedoch der Jitter (Abweichungen der Signalflanken in der Zeitachse) und das Rauschen (Abweichungen der Signalpegel) über einen längeren Zeitbereich betrachtet werden, um eine statistisch ausreichende Messsicherheit zu bekommen. Dies ist mit bisherigen Augendiagrammfunktionen besonders langwierig, da sie die Augenberechnung für einzelne Messkurven erst in der Nachverarbeitung durchführen.

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Bild 2: Einstellungen für den seriellen Patterntrigger mit Hardware-CDR für schnelle und kontinuierliche Augendiagrammtests.

Mit den RTP-Oszilloskopen sind Augentests hardware-beschleunigt. Die Option »Serieller Patterntrigger R&S RTP-K141« beinhaltet eine in der Triggerhardware realisierte Clock-Data-Recovery (CDR), die Datenraten bis 16 GBit/s unterstützt. Die CDR extrahiert den eingebetteten Takt aus dem seriellen Schnittstellensignal und kann für jeden Eingangskanal des Oszilloskops gewählt werden. Dieses Taktsignal dient als Zeitreferenz für die Triggerung und Darstellung der Messkurve sowie des Auges. Mit dieser CDR-basierten Triggerung »sieht« das Oszilloskop das Datensignal genauso wie der Empfänger einer seriellen Schnittstelle, da dieser ebenfalls eine CDR verwendet. Bild 1 zeigt ein Beispiel für ein Augendiagramm unter dem Einsatz der CDR als Triggerreferenz. Wählt der Anwender bei der CDR-basierten Triggerung als Triggerbedingung ein »X« (Bild 2), entsteht durch die Überlagerung beliebiger Bits auf dem Bildschirm das symmetrische Augendiagramm des Schnittstellensignals. Das RTP arbeitet dabei mit einer hohen Erfassungsrate am Markt und erreicht bis zu 750.000 Messkurven pro Sekunde, wodurch sich das Augendiagramm schnell mit überlagerten Bitsequenzen für statistische Aussagen füllt und seltene Störer schnell erfasst.

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Bild 3: Untersuchung des Jitter- und Rauschverhaltens eines PCI-Express-Signals der 3. Generation (8 GBit/s) mit vertikalem und horizontalem Histogramm.

Für die weitere Datenaugenanalyse stehen Werkzeuge wie der Maskentest oder die Histogrammfunktion zur Verfügung. Diese Analysefunktionen des Oszilloskops RTP arbeiten ebenfalls in Hardware, weshalb der Anwender von der schnellen Erfassungsrate des Geräts profitiert.

Bild 3 zeigt das Jitter- und Rauschverhalten eines PCI-Express-Signals (8 GBit/s). Dazu wurde je ein horizontales und vertikales Histogramm auf das Augendiagramm angewendet. Das Jitter-Histogramm zeigt ein bimodales Verhalten, das von deterministischem Jitter herrührt. Mit den automatischen Messungen am Histogramm kann man zusätzlich die Standardabweichung bestimmen, die durch zufälligen Jitter dominiert wird. Diese Daten liefern wichtige Erkenntnisse bezüglich der Signalintegrität der getesteten Schnittstelle.

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1. Digitale Schnittstellen genau durchleuchten
2. Maskentest erfasst sporadische Fehler
3. Zubehör: modulare Tastköpfe

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