De-embedding повышает точность измерения

Опубликовано 03 Дек 2010 | Рубрика Статьи & Обзоры | Просмотров: 107

Инженеры могут компенсировать потери сигнала в кабеле, разъемах, и тестовых платах.

Автор: Randy White (Tektronix)
Источник: T&M World
Перевод: Atmen

Непрекращающееся увеличение скорости последовательной передачи данных вынуждает инженеров понимать эффекты, которые происходят в линиях передачи и тестовой оснастке при измерениях глазковой диаграммы. По мере увеличения скорости передачи данных, потери в оснастке и каналах передачи могут приводить к неточностям в глазковой диаграмме. Удаление, или исключение неоднородных эффектов (de-embedding), возникающих в оснастке и каналах передачи при измерениях, позволяет  просматривать истинную глазковую диаграмму сигнала.

Поскольку высокоскоростной сигнал передается, он теряет свою точность (качество), особенно если среда канала передачи – недорогой материал печатной платы FR-4. Кабели, разъемы, и тестовая оснастка также способствует деградации сигнала. Результат: закрытая (или несуществующая) глазковая диаграмма на дальнем конце канала передачи.

Проведение характеристических измерений является основной частью выпуска надежного устройства. Когда вы не можете подключить осциллограф непосредственно к контактам устройства и необходимо измерить передатчик через специальное тестовое приспособление, вы обнаружите, что это приспособление воздействует на измерение. Если вы привыкли делать измерение целостности сигнала без учета эффектов, вносимых тестовыми приспособлениями или каналом передачи, то вы не сможете понять, какая потеря сигнала происходит на скорости передачи данных 5 Гбит/с и выше. На этих скоростях, вы больше не можете предполагать, что если выход передатчика соответствует границам маски глазковой диаграммы, то система будет работать безупречно. В большинстве случаев, вы должны рассмотреть полную цепь при измерении сигнала.

В коммуникационных системах передатчик и приемник могут компенсировать потери в канале связи. Использование в передатчике фильтра перед передачей (pre-emphasis) уменьшает закрытие “глаза”, вызванного потерей и рассеиванием, в частности, на скорости 2,5 Гбит/с и выше. Приемник с модулем коррекции (equalizer) способен декодировать сигналы даже тогда, когда глазковая диаграмма полностью закрыта. Equalizer открывает “глаз” в точке, где получатель может интерпретировать поток данных. На рисунке 1 показано, как канал передачи может ухудшить последовательный поток данных. Открытый “глаз” в передатчике закрывается, когда сигнал проходит через канал, но потом эквалайзер приемника вновь открывает его достаточно, чтобы сделать систему надежной.

Рисунок 1. Последовательная линия передачи с использованием коррекции на стороне приемника для компенсации потери сигнала и открытие закрытого "глаза" после прохождения синала через канал

Взаимосвязь между истинной формой передаваемого сигнала и параметрами канала является сложной и трудной задачей для предсказания. Вы можете наблюдать работу всей последовательной цепи при подключении выхода передатчика к каналу и наблюдать, как сигнал деградирует вдоль пути передачи.

Вы также можете эмулировать канал с помощью программного обеспечения, основываясь на параметрах канала сети. Таким образом, можно не иметь физического канала, чтобы понять, как ухудшается сигнал. Вы можете эмулировать канал с помощью S-параметров в частотной области или во временной области с использованием описания параметров сети. Вы также можете измерить сигнал в конце эмулированного канала с предварительным фильтром (pre-emphasis) и коррекции на конце (de-emphasis) или без них.

Часто, Вы не можете исследовать приемник непосредственно на его контакте. Компоновка платы может вынудить вас проводить измерение сигналов в нескольких дюймах от предпочтительной точки измерения. Это приводит к снижению качества измерений и потере запаса передатчика. Таким образом, вы должны характеризовать (описать) канал передачи и путь от желаемой точки измерений к осциллографу. Этим, вы можете исключить неоднородные эффекты (de-embedding), возникающие в тестовой оснастке и кабелях, особенно для потоков данных более чем 5 Gbps.

Как работает de-embedding?

De-embedding позволяет устранить инструментальные эффекты при измерениях целостности сигнала. Устраняя эффект ухудшения сигнала по пути его следования, вы, по сути проводите измерения в нужной точке. Вы подвинули опорную плоскость измерений ближе к тестируемому устройству. При измерение S-параметров требуется использовать стандартную процедуру калибровки, которая хорошо контролирует физические свойства. Физические свойства включают в себя известные импедансы, такие как короткое замыкание, обрыв, нагрузка (опорный импеданс, обычно 50 Ω) и пропускание. Это называется SOLT-калибровка (Short–Open–Load–Thru).

После того как вы откалибровали инструмент, вы можете измерить на оснастке коэффициент отражения или провести измерение в частотной области, а затем разработать многополюсную модель с Z- или S-параметрами. С этой моделью, вы можете измерить сигнал и исключить воздействия оснастки.

Зная характеристики измерительной оснастки, вы можете удалить эффекты, вносимые оснасткой из снимаемого сигнала (корпусные эффекты, потери на дорожках платы, контактах) при выполнении высокоскоростных измерений, таких как джиттер или высота «глаза». Этот подход позволяет Вам “исследовать” виртуальные контрольные точки, которые находятся, например, под корпусом микросхемы или в нескольких дюймах от разъема.

Большинство программных средств осциллографов может импортировать файлы S-параметров и таким образом использовать частотную характеристику канала. Программное обеспечение затем учитывает (исключает) эффекты межсоединений в диапазоне частот, которые нас интересуют. IFFT (обратное быстрое преобразование Фурье) является основой для этого процесса.

На рисунке 2a и 2б показано, как процесс de-embedding’а может открыть «глаз» на диаграмме, чтобы он не выходил на границу маски, при выполнении теста глазковой диаграммы. Удаляя искажение сигнала, вызванного измерительной оснасткой, вы минимизируете сбои, которые выделяются белым цветом на рисунке 2а; сбои не появляются на рисунке 2б, поскольку «глаз» не выходит на границу маски.

Рисунок 2. Использование файла S-параметров для вычисления инверсного фильтра может выглядеть как ошибка (белая область на рисунке a) внутри глазковой диаграммы в которой "глаз" не выходит на маску (рисунок b)

De-embedding будет удалять некоторые искажения, вызванные межсимвольными помехами ISI (intersymbol interference), но это будет также усиливать и шум. Чтобы свести к минимуму усиление шума и оптимизировать SNR (отношение сигнал/шум), вам также необходимо применить фильтр нижних частот.

Вы можете применить фильтр с постоянным уровнем потерь или пороговый (в децибелах) фильтр для потока данных, чтобы снизить уровень шума. Например, если необходимо измерить сигнал данных 5 Gbps по кабелю, который производит -6 дБ потерь на частоте 7,5 ГГц, вы обнаружите, что после применения 7,5 ГГц фильтра нижних частот, после de-embedding’а будет около 3 дБ потерь на уровне 7,5 ГГц (-6 дБ оригинальный, + 6 дБ от инверсии, – 3 дБ фильтр).

Вы также можете выбрать частоту среза, на основе пятой гармоники основной частоты сигнала. 5 Gbps сигнал имеет основную частоту 2,5 ГГц, и частоту пятой гармоники – 12,5 ГГц. В большинстве систем, энергия сигнала содержится в основной, третьей и пятой гармониках.

Модель канала является решающим фактором в выборе частоты среза фильтра. Вам нужны хорошие и удобные данные для анализа во временной области или S-параметры. Вы также должны рассмотреть, позволит ли частотный интервал и временное окно модели установиться переходным процессам (таким, как отражения), и включен ли DC в набор данных. Эти условия могут не влиять при коротких расстояниях, но для длинных цепей системы, условия могут повлиять на измерения, в зависимости от расстояния между несогласованным импедансом.

Рисунок 3. Инверсный фильтр на частоте 10 ГГц выдает отклик (желтый луч), который превышает динамический диапазон осциллографа (синий луч). Зеленый луч - оригинальная реакция фильтра.

Отражения могут привести к значительным пропускам или провалам частоты, которые после применения обратной функции, могут производить сигналы, превышающие отношение сигнал/шум осциллографа. Предположим, что кабель имеет большой провал частотной характеристики на 9 ГГц. Если de-embed-фильтр состоит из фильтра нижних частот с частотой среза 10 ГГц, вы можете увидеть повышение около 60 дБ, что значительно превышает уровень собственных шумов большинства осциллографов (рисунок 3). Лучший метод, который уравновешивает SNR и высокочастотный сигнал использовать фильтр с частотой среза 5 ГГц. Полученный спектр (рисунок 4) не имеет выбросов, которые были видны на рисунке 3.

Рисунок 4. Инверсный фильтр с полосой пропускания 5 ГГц держит сигнал в пределах динамического диапазона осциллографа.

Рекомендации по применению De-embedding’а

Вот несколько рекомендаций, которые можно использовать, когда нужно исключить влияние эффектов оснастки или линии из ваших измерений.

- Знать спектр сигнала. Необходимо иметь точную модель реакции канала на всем пути к вашей контрольной точке. Модель должна охватывать больше, чем наивысшая частота спектра, которая все еще несет значительную энергию. Практически, если вы можете оценить полосу пропускания спектра, вы можете оптимизировать Ваши усилия по De-embedding’у.

Теоретически спектр NRZ (non-return-tozero)-сигнала может иметь достаточно энергии для воздействия на глазковую диаграмму даже за пределами седьмой гармоники. Если вам необходимо сделать De-embedding при сигнале 5 Гбит/с (2,5 ГГц), ваши измерения оснастки должен быть точными выше12,5 ГГц (сигнала пятой гармоники).

- Знать динамический диапазон de-embedding–фильтра. Предположим, что спектр исходного сигнала, умноженный потерями на канале, должен быть в пределах динамического диапазона осциллографа. 8-разрядные осциллографы реального времени как правило имеют 30 дБ динамического диапазона на своих наивысших частотах. Стробоскопические осциллографы могут достигать 40 дБ или 50 дБ в верхней части частотного диапазона.

Следующее уравнение показывает входной сигнал фильтра – r(t), и выходной сигнал – s(t):


Чтобы точно рассчитать выражения s(t) на определенной частоте, измерение отклика канала или оснастки Hs21, и входной сигнал r(t) должны быть известны для достаточно высокой частоты и динамического диапазона. На максимальной частоте спектр сигнала на 20 дБ ниже первой гармоники, и вы измеряете этот сигнал через оснастку, которая имеет 20 дБ потерь при этой высокой частоте. Часть наивысшей частоты спектра сигнала будет на 40 дБ ниже, чем в первой гармоники.

С 8-битовым диджитайзером высокочастотные компоненты сигнала будут неотличимы от шума. Усреднение может помочь увеличить динамический диапазон цифровых преобразователей путем увеличения эффективного числа битов и улучшения отношения сигнал/шум.

- Получить верный частотный диапазон и временное разрешение. При разработке фильтра, необходимо вычислить его постоянную времени (t), которое представляет собой сумму задержки, и измерить характеристику канала или оснастки. Если полученный сигнал не содержит достаточного количества сэмплов для расчета переходной задержки фильтра, будут происходить значительные искажения, и полученный сигнал после фильтрации не будет иметь смысла. Общее правило заключается в установке глубины памяти осциллографа, по крайней мере в 10 раз больше, чем длина фильтра. Например, для фильтра длиной 1000 коэффициентов, потребуется по меньшей мере 10000 сэмплов.

Кроме того, рассмотрите отклонение полосы пропускания сигнала (BWrel). Это полоса пропускания в точке измерения, где спектральная амплитуда составляет около -20 дБ в осциллографах реального времени и -40 дБ для стробоскопических осциллографов, относится к динамическому диапазону инструмента. Значение BWrel позволяет вычислить абсолютное минимальное количество частотных точек P, которые вы должны собрать для представления S-параметров в диапазоне от DC до BWrel:

Р-число точек, которые вы должны измерить на векторном анализаторе или на рефлектометре, работающем во временной области (time-domain reflectometer). Кроме того, необходимо убедиться, что фильтр обеспечивает достаточное низкочастотное разрешение, чтобы захватить самые низкие ожидаемые частоты. Это часто будет диктовать частоту шага между измерениями. Интервал частоты ΔF, установленный для S-параметров будет:

Осциллографы имеют достаточную вычислительную мощность, чтобы выполнить de-embedding, как только вы предоставляете им достаточные данные. Посредством de-embedding, вы можете получить более четкое представление о сигнале, который появляется на контактах микросхемы, когда вы не можете исследовать контакты непосредственно. De-embedding также позволяет Вам моделировать канал передачи, таким образом, чтобы вы могли увидеть, как это может повлиять на целостность сигнала, еще до появления у Вас физическкого образца для тестирования.

Дополнительные материалы для загрузки

Оригинал статьи: De-embedding improves measurement accuracy (Язык: ENG, Формат: PDF, Размер: 346 КБ)

Ваш отзыв





XHTML::
<a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>