12.12.2012

Das Physical Interface der JESD204B-Schnittstelle




 

Leistungskennzahlen f√ľr Transmitter mit JESD204B-Schnittstelle

 

Von Jonathan Harris

 

Einf√ľhrung

Mit zunehmendem Einsatz der seriellen JESD204-Schnittstelle in Wandlern ist es erforderlich geworden, der Leistungsf√§higkeit und Optimierung des digitalen Interface mehr Aufmerksamkeit zu widmen. Der Fokus darf jedoch nicht ausschlie√ülich auf der Leistungsf√§higkeit des Wandlers liegen. Die ersten zwei √úberarbeitungen (Revisions) des Standards, JESD204 im Jahr 2006 und JESD204A im Jahr 2008, spezifizierten Datenraten von 3,125Gbit/s. Die neueste Revision, JESD204B, freigegeben im Jahr 2011, listet die Geschwindigkeitsversionen (Speed Grades) mit der maximalen Datenrate von 12,5Gbit/s. Diese drei Speed Grades unterliegen drei verschiedenen elektrischen Schnittstellenspezifikationen, formuliert durch das Optical Internetworking Forum (OIF). F√ľr Datenraten bis 3,125Gbit/s enth√§lt OIF-Sx5-01.0 die elektrischen Interface-Spezifikationen, w√§hrend CEI-6G-SR und CEI-11G-SR die Spezifikationen f√ľr Datenraten bis 6,375Gbit/s bzw. 12,5Gbit/s enthalten. High-Speed Datenraten verlangen, dass die Entwicklung und die Leistungsf√§higkeit der High-Speed CML-Treiber, Empf√§nger und Interconnect-Netzwerk, die das Physical Interface (PHY) der JESD204B-Schnittstelle bilden, mehr Aufmerksamkeit erhalten.

 

Zur Ermittlung der Leistungsf√§higkeit des PHY eines JESD204B-Transmitters gibt es mehrere Leistungskennzahlen. Dazu geh√∂ren Gleichtaktspannung, differenzielle Spitze/Spitze-Spannung, differenzielle Impedanz, differenzieller Output-Return-Verlust, Gleichtakt-Return-Verlust, Transmitter-Kurzschlussstrom, Augendiagramm und Jitter. Dieser Artikel konzentriert sich auf drei wichtige Performance-Kennzahlen, die normalerweise verwendet werden, um die Qualit√§t des √ľbertragenen Signals zu evaluieren: Augendiagramm, Badewannenplot und Histogramm. Diese Messungen erfolgen aus der Sicht des Empf√§ngers, da dies die Stelle ist, an der das Signal einwandfrei decodiert werden muss. Beim Augendiagramm werden mehrere erfasste Ausgangsdaten√ľbertragungen √ľberlagert, um einen Plot zu erstellen, der viele Hinweise zur Qualit√§t der Datenverbindung geben kann. Diesen Plot kann man verwenden, um viele Eigenschaften des JESD204B Physical Interface wie etwa Impedanz-Diskontinuit√§ten und unsaubere Abschl√ľsse zu beobachten. Dies ist nur eine M√∂glichkeit zur Evaluierung des Physical Layers. Der Badewannenplot und das Histogramm sind zwei weitere wichtige Leistungskennzahlen, die man zur Evaluierung der Qualit√§t der JESD204B-Verbindung nutzen kann. Der Badewannenplot ist eine visuelle Darstellung der Bit-Fehler-Rate (BER) f√ľr eine gegebene Augenbreiten√∂ffnung, gemessen mit dem ‚ÄěUnit Interval‚Äú (UI). Das UI ist die spezifizierte Zeit, enthalten in den PHY-Spezifikationen f√ľr JESD204B, welche die Zeitdauer zwischen Daten√ľberg√§ngen angibt. Die dritte Messung, das Histogramm, liefert Informationen √ľber die Verteilung der gemessenen UI-Abweichung. Die Messung ist auch ein Indikator f√ľr die Menge an Jitter im gemessenen Signal. Dieser Plot kann zusammen mit dem Augendiagramm und dem Badewannenplot verwendet werden, um die gesamte Leistungsf√§higkeit des PHY der JESD204B-Schnittstelle zu ermitteln. Ein JESD204B-Transmitter mit einer ausgangsseitigen Datenrate von 5,0Gbit/s wird vorgestellt. Die Leistungsf√§higkeit f√ľr einen Transmitter mit dieser Datenrate ist in der Spezifikation OIF CEI-6G-SR beschrieben.

 

Das Augendiagramm

Bild 1 zeigt ein Augendiagramm f√ľr einen JESD204B-Transmitter mit 5,0Gbit/s Datenrate. Der ideale Signalverlauf ist als √úberlagerung (Overlay) eines gemessenen Signalverlaufs dargestellt. Idealerweise w√ľrden die √úberg√§nge fast sofort erfolgen und zwar ohne √úber- oder Unterschwingen (Overshoot oder Undershoot) bzw. Ringing. Zus√§tzlich w√§ren die Schnittpunkte, die das UI bestimmen, ohne Jitter. Wie Bild 1 zeigt, sind ideale Signalverl√§ufe in einem realen System nicht m√∂glich. Zur√ľckzuf√ľhren ist dies auf nicht-ideale √úbertragungsmedien, die mit Verlusten behaftet sind und bei denen die Abschl√ľsse nicht optimal aufeinander abgestimmt sind. Das hier gezeigte Augendiagramm ist eine Messung, die im Empf√§nger eines JESD204B-Systems durchgef√ľhrt wird. Das Signal hat einen Weg √ľber einen Stecker und etwa 20cm differenzielle √úbertragungsleitungen zur√ľckgelegt, bevor es am Messpunkt ankommt. Aus diesem Augendiagramm ist eine angemessene Impedanzanpassung zwischen Transmitter und Empf√§nger sowie ein gutes √úbertragungsmedium ohne Impedanzabweichungen ersichtlich. Das Diagramm zeigt zwar einen gewissen Betrag an Jitter, dieser liegt jedoch nicht √ľber den Spezifikationen f√ľr die JESD204-Schnittstelle. Das Augendiagramm zeigt kein √úberschwingen, weist aber einen kleinen Betrag an Unterschwingen an den steigenden Flanken auf. Dies ist auf die Verlangsamung des Signals beim Durchlaufen des √úbertragungsmediums zur√ľckzuf√ľhren. Allerdings ist dies zu erwarten, nachdem das Signal den Stecker und die 20cm lange differenzielle √úbertragungsleitung zur√ľckgelegt hat. Das durchschnittliche UI sieht so aus, als entspr√§che es dem erwarteten UI von etwa 200ps, wobei das Signal einen kleinen Betrag an Jitter aufweist. Insgesamt pr√§sentiert dieses Augendiagramm ein gutes Signal f√ľr den Empf√§nger, das kein Problem haben sollte, den Embedded Datentakt zur√ľckzugewinnen und die Daten einwandfrei zu decodieren. 

 

Bild 1. 5,0Gbit/s Augendiagramm.

 

Das Augendiagramm in Bild 2 wurde mit dem gleichen √úbertragungsmedium eingemessen, das auch in der Messung in Bild 1 verwendet wurde. Der einzige Unterschied war eine nicht korrekte Abschlussimpedanz. Die Auswirkungen sind aus dem erh√∂hten Jitter ersichtlich, der im Signal an den Schnittpunkten sowie au√üerhalb des √úbergangsbereichs vorhanden ist. Die gesamte Amplitude ist in vielen der Datenerfassungen komprimiert. Daraus resultiert ein Augendiagramm, das beginnt sich zu schlie√üen. Die Beeintr√§chtigung verursacht einen Anstieg der BER am Empf√§nger und k√∂nnte m√∂glicherweise den Verlust der JESD204B-Verbindung am Empf√§nger bewirken, falls sich das Auge √ľber dem schlie√üt, was der Empf√§nger tolerieren kann.

 

 

 

Bild 2. 5,0Gbit/s Augendiagramm ‚Äď Unsauberer Abschluss.

 

Das Augendiagramm in Bild 3 zeigt einen anderen Fall einer nicht-idealen Daten√ľbertragung. In diesem Fall ist eine Impedanz-Diskontinuit√§t an einem Punkt in der Mitte zwischen Transmitter und dem Empf√§nger dargestellt (in diesem Fall ein Oszilloskop). Wie aus der herabgesetzten Leistungsf√§higkeit im Plot ersichtlich, schlie√üt sich die Augen√∂ffnung. Dies bedeutet, dass der Bereich innerhalb der √úbergangsstellen kleiner wird. Die steigenden sowie die fallenden Flanken der Daten nehmen ernsthaft ab. Zur√ľckzuf√ľhren ist dies auf die Reflexionen der Impedanz-Diskontinuit√§t auf der √úbertragungsleitung. Die Impedanz-Diskontinuit√§t leistet auch einen Beitrag zu einem Anstieg in der Menge des Jitters an den Daten√ľbergangsstellen. Falls sich das Auge √ľber den Grenzen schlie√üt, bis zu denen der Empf√§nger den Datenstrom decodieren kann, bricht die Datenverbindung ab. Im Fall von Bild 3 ist es wahrscheinlich, dass viele Empf√§nger den Datenstrom nicht decodieren k√∂nnen.

 

 

 

Bild 3. 5,0Gbit/s Augendiagramm ‚Äď Impedanz-Diskontinuit√§t.

 

Der Badewannenplot

Zus√§tzlich zum Augendiagramm liefert auch der Badewannenplot n√ľtzliche Einblicke in die Qualit√§t der seriellen Daten√ľbertragung auf einer JESD204B-Datenverbindung. Der Badewannenplot ist eine Messung der Bitfehlerrate (BER) als Funktion des Abtastpunktes, w√§hrend dieser sich √ľber die Zeit √ľber das Augendiagramm bewegt. Der Badewannenplot wird erzeugt, indem man den Abtastpunkt √ľber das Augendiagramm bewegt und die resultierende BER an jedem Punkt misst. Wie Bild 4 zeigt, reduziert sich die BER, je n√§her sich der Abtastpunkt im Zentrum des Auges befindet. Bewegt sich der Abtastpunkt n√§her an die √úbergangspunkte des Augendiagramms, steigt die BER. Der Abstand zwischen den beiden Steigungen des Badewannenplots bei einer bestimmten BER ergibt die Augen√∂ffnung bei der spezifizierten BER (in diesem Fall 10-12).

 

 

 

Bild 4. 5,0Gbit/s Augendiagramm ‚Äď Badewannenplot-Messung.

 

Der Badewannenplot liefert auch Informationen √ľber die Jitter-Komponenten (Tj) im Signal. Bild 5 zeigt, dass, wenn der Messpunkt bei oder in der N√§he der √úbergangspunkte liegt, er relativ flach ist und die Haupt-Jitter-Komponente deterministisches Jitter ist. Genau wie bei den Augendiagrammmessungen resultieren die Badewannenplots aus Messungen an einem 5,0Gbit/s-Transmitter mit JESD204B-Schnittstelle. Gemessen wird am Empf√§nger, nachdem das Signal einen Stecker und etwa 20cm √úbertragungsleitung zur√ľckgelegt hat. Bewegt sich der Messpunkt n√§her zur Mitte der Augen√∂ffnung, ist der prim√§re Jitter Random-Jitter. Random-Jitter ist das Ergebnis vieler Prozesse, die normalerweise in einer kleinen Gr√∂√üenordnung liegen. Typische Quellen sind thermisches Rauschen, Abweichungen in die Breite der elektrischen Verbindungen (Traces), ‚ÄěShot Noise‚Äú usw. Die PDF (Probability Density Function) des Random-Jitters folgt normalerweise einer Gauss‚Äôschen Verteilung. Andererseits resultiert deterministischer Jitter aus einer kleinen Zahl von Prozessen, die gro√üe Gr√∂√üenordnungen haben k√∂nnen und eventuell nicht unabh√§ngig sind. Die PDF von deterministischem Jitter ist begrenzt und hat einen gut definierten Spitze/Spitze-Wert. Sie kann unterschiedlich aussehen und ist normalerweise nicht gaussf√∂rmig.

 

 

 

Bild 5. Badewannenplot ‚Äď Jitter-Komponenten.

 

Eine erweiterte Ansicht des Badewannenplots aus Bild 4 zeigt Bild 6. Dieses zeigt eine Augen√∂ffnung von etwa 0,6 UI (Unit Interval) am Empf√§nger f√ľr eine serielle Daten√ľbertragung mit 5,0Gbit/s und einer BER von 10-12. Wichtig ist, dass der Badewannenplot, wie der in Bild 6 gezeigte, eine extrapolierte Messung ist. Das zum Erfassen der Daten verwendete Oszilloskop macht einen Satz von Messungen und extrapoliert den Badewannenplot. W√ľrde man einen Bitfehlerratentester (BERT, Bit Error Rate Tester) verwenden und gen√ľgend Messungen durchf√ľhren, um den Badewannenplot zu erhalten, k√∂nnte dies Stunden oder sogar Tage dauern. Und das selbst im High-Speed-Betrieb des heutigen Messequipments.

 

 

 

Bild 6. 5,0Gbit/s-Badewannenplot.

 

Genau wie beim Augendiagramm ist ein unsauberer Abschluss oder eine Impedanz-Diskontinuit√§t im System im Badewannenplot ersichtlich. Im Gegensatz zum Badewannenplot in Bild 6 zeigen die Badewannenplots in Bild 7 und Bild 8 wesentlich flachere Steigungen an jeder Seite. Die Augen√∂ffnung f√ľr eine BER von 10 bis 12 betr√§gt lediglich 0,5 UI in beiden F√§llen. Dies ist √ľber 10% weniger als die 0,6 UI f√ľr die ‚ÄěGood‚Äú Situation. Der unsaubere Abschluss und die Impedanz-Diskontinuit√§t tragen einen gro√üen Teil von Random-Jitter zum System bei. Dies zeigt die abnehmende Steigung auf jeder Seite des Badewannenplots zusammen mit der verkleinerten Augen√∂ffnung bei einer BER von 10-12. Es gibt auch eine geringe Zunahme des deterministischen Jitters. Auch dies ist aus der abnehmenden Steigung in der N√§he der Flanken des Badewannenplots ersichtlich.

 

 

 

Bild 7. 5,0Gbit/s-Badewannenplot ‚Äď Unsauberer Abschluss.

 

 

 

Bild 8. 5,0Gbit/s-Badewannenplot ‚Äď Impedanz-Diskontinuit√§t.

 

Das Histogramm

Eine dritte n√ľtzliche Messung ist das Histogramm. Dieser Plot zeigt die Verteilung der gemessenen Perioden zwischen √úbergangspunkten in der Daten√ľbertragung. Genau wie beim Augendiagramm und bei den im Badewannenplot dargestellten Messungen resultieren die Histogrammplots aus Messungen an einem 5,0Gbit/s schnellen Transmitter mit einer JESD204B-Schnittstelle. Gemessen wird am Empf√§nger, nachdem das Signal einen Stecker und etwa 20cm √úbertragungsleitung durchlaufen hat. Bild 9 zeigt das Histogramm f√ľr ein System mit relativ guter Leistungsf√§higkeit bei 5,0Gbit/s. Das Histogramm zeigt eine √ľberwiegend Gauss‚Äôsche Verteilung mit Perioden, gemessen zwischen 185 und 210ps. Die erwartete Periode f√ľr ein 5,0Gbit/s-Signal sollte 200ps sein. Dies bedeutet, dass sich die Verteilung -7,5 bis +5% um ihren erwarteten Wert erstreckt.

 

 

 

Bild 9. 5,0Gbit/s Histogramm.

 

Bei einem unsauberen Abschluss (Bild 10) wird die Verteilung breiter und variiert dann zwischen 170 und 220ps. Dies erh√∂ht die prozentuale √Ąnderung von -15% auf +10%, was dem Doppelten der Messung in Bild 9 entspricht. Diese Plots zeigen, dass √ľberwiegend Random-Jitter im Signal vorhanden ist. Ersichtlich ist dies aus der gro√üteils gauss-√§hnlichen Form. Da die Form allerdings nicht exakt der Gauss‚Äôschen Verteilung entspricht, gibt es zumindest auch einen kleinen Anteil von deterministischem Jitter.

 

 

 

Bild 10. 5,0Gbit/s Histogramm ‚Äď Unsauberer Abschluss.

 

Das Histogramm in Bild 11 zeigt die Ergebnisse bei einer Impedanz-Diskontinuit√§t auf der √úbertragungsleitung. Die Form der Verteilung ist √ľberhaupt nicht gauss-√§hnlich und weist eine kleine sekund√§re Erhebung (Hump) auf. Der Durchschnittswert der gemessenen Periode ist auch versetzt. Im Gegensatz zu den Plots in Bild 9 und Bild 10 betr√§gt der Durchschnittswert nicht mehr 200ps, sondern hat sich auf etwa 204ps verschoben. Die eher bi-modale Verteilung zeigt, dass im System mehr deterministisches Jitter vorhanden ist. Verantwortlich daf√ľr sind die Impedanz-Diskontinuit√§t auf den √úbertragungsleitungen und die vorhersagbaren Einfl√ľsse, die dies auf das System hat. Der Bereich an Werten, die f√ľr die Periode gemessen wurden, ist wiederum erh√∂ht. Wenn auch nicht so viel wie im Falle des unsauberen Abschlusses. In diesem Fall erstreckt sich der Bereich von 175 auf bis zu 215ps. Dies ist ein Bereich von etwa -12,5% bis +7,5% der erwarteten Periode. Der Bereich ist nicht so gro√ü, doch die Verteilung wiederum mehr bi-modal.

 

 

 

Bild 11. 5,0Gbit/s Histogramm ‚Äď Impedanz-Diskontinuit√§t.

 

Schlussbemerkung

Mehrere Kennwerte f√ľr die Leistungsf√§higkeit lassen sich heranziehen, um die Performance des Physical Layers (PHY) eines JESD204B-Transmitters zu evaluieren. Dazu z√§hlen Gleichtaktspannung, differenzielle Spitze/Spitze-Spannung, differenzielle Impedanz, differenzieller Output-Return-Verlust, Gleichtakt-Return-Verlust, Transmitter-Kurzschlussstrom, Augendiagramm und Jitter. Drei wichtige Leistungskennwerte, mit denen sich die Qualit√§t von Signalen, die mit JESD204B √ľbertragen werden, beschreiben l√§sst, wurden in diesem Beitrag diskutiert: Augendiagramm, Badewannenplot und Histogramm. Systemprobleme wie unsaubere Abschl√ľsse und Impedanz-Diskontinuit√§ten haben signifikante Auswirkungen auf die Leistungsf√§higkeit des Physical Layers. Diese Auswirkungen lassen sich in Form reduzierter Leistungsf√§higkeit in Augendiagrammen, Badewannenplots und Histogrammen darstellen. Es ist wichtig, stets gute Entwicklungspraktiken zu verfolgen, um Systeme sauber abzuschlie√üen und Impedanz-Diskontinuit√§ten im √úbertragungsmedium zu vermeiden. Diese haben negative Auswirkungen auf die Daten√ľbertragung und k√∂nnen fehlerhafte Datenverbindungen zwischen JESD204B-Transmitter und Empf√§nger bewirken. Mit entsprechenden Techniken, die diese Probleme vermeiden, lassen sich einwandfrei funktionierende Systeme entwickeln.

 

Referenzen

JEDEC Standard JESD204B (Juli 2011). JEDEC Solid State Technology Association. www.jedec.org

 

Application Note 5989-5718EN: Using Clock Jitter Analysis to Reduce BER in Serial Data Applications. Agilent Technologies, Dezember 2006.

 

Application Note 5988-9109EN: Measuring in Digital Systems. Agilent Technologies, Januar 2008.


 


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