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Strumenti di misura per dati seriali ad alta velocità

Strumenti di misurazione per dati seriali

In questo articolo si discuterà dell’equalizzazione e della non-equalizzazione relativa ai sistemi per dati seriali. Il ruolo degli strumenti di collaudo e di misura, nei riguardi dei dati seriali ad alta velocità, è quello di aiutare lo sviluppo di sistemi che trasmettano i dati con alti bit-rate e bassi numeri di errori: la velocità è definita in bit/s (o Gigabit/s) e la frequenza di errori è definita in termini di Ber (Bit error rate) dunque equivale al numero di bit errati diviso il numero di bit trasmessi.

I sistemi non equalizzati

Nell’ambito dei sistemi non equalizzati la situazione è tale per cui le componenti isolate dei sistemi possono essere misurate e analizzate globalmente per determinare la prestazione del sistema, mentre nell’ambito dei sistemi per dati seriali ad alta velocità la misurazione di connettori, chip trasmittenti, chip riceventi e backplane và analizzata separatamente e facilmente. Tradizionalmente per esempio un backplane viene misurato con la Tdr (Time Domain Reflectometry) per determinare se il backplane stesso e le sue connessioni sono “buone”, nel senso che non hanno dispersioni, hanno l’impedenza richiesta e poco discontinuità di impedenza. Attualmente viene utilizzato un analizzatore vettoriale di network, tradizionalmente strumento primario di un ingegnere nell’ambito delle microonde, per eseguire queste misure sotto forma di Parametri S e le misurazioni di Parametri S e Tdr sono grosso modo modi equivalenti per ottenere le stesse informazioni.

Le misurazioni dei backplane e dei connettori utilizzando strumenti di analisi per network sono ciò che si può definire misurazioni statiche, in quanto le misurazioni descritte offrono misurazioni dei componenti che essenzialmente determinano il comportamento dei componenti nel loro complesso in ogni dato momento, anche se in maniera complicata. In altre parole la misurazione di un componente del canale ottenuta tramite un Vna consente di predire o simulare qualunque aspetto del componente nel sistema.

La misurazione del comportamento del trasmittente nell’ambito non equalizzato si basa essenzialmente sull’analisi del jitter e l’industria degli strumenti per la misurazione del jitter offre molteplici metodi per la sua misurazione, suddividendo le varie sorgenti in random e deterministico, con l’ambito deterministico che include il jitter periodico e quello dipendente dai dati. Le misurazioni includono anche il noise o “rumore” suddivisi in random noise, cross-talk e distorsione. Il noise e la sua manifestazione in qualità di jitter sono un problema che merita attenzione, mentre la distorsione può anche dipendere dai dati stessi ed è questa particolare situazione che porta verso la preferenza di sistemi equalizzati. Quando si analizzano il jitter e gli effetti del noise è molto utile poter esaminare il diagramma ad occhio che rappresenta le forme d’onda del voltaggio in vicinanza del punto di decisione per ogni singolo bit sovrapposto. Il jitter tende a “chiudere” l’occhio orizzontalmente e il noise invece tende a “chiudere” l’occhio verticalmente, pertanto la “chiusura” dell’occhio segnala l’aumento della possibilità d’errore e dunque del Ber.

L’analisi è eseguita utilizzando un WaveMaster 8 Zi, un oscilloscopio real-time di LeCroy con fino a 30 GHz di banda. La chiusura massima totale dell’occhio (quindi il jitter totale) con un Ber di 10-12 (1 trilione di bit) è stimato a 16.7 ps e questa è una stima di 4,6 milioni di unità intervallo (UI). Questo significa che se la stima è corretta e 1 trilione di bit sono stati acquisiti nel diagramma ad occhio nell’angolo alto a sinistra, allora l’area aperta orizzontalmente nel centro dell’occhio sarebbe ampia 83,3 ps. In conclusione negli ambienti non-equalizzati i canali sono misurati approssimativamente utilizzando l’analisi del jitter. Questa può sembrare una semplificazione, ma descrive generalmente la situazione.

Sistemi equalizzati

Quando i canali hanno dispersione, specificamente una dispersione dovuta alla frequenza, le componenti di frequenza del segnale trasmesso arrivano al ricevente con ampiezze diseguali causando distorsioni. L’equalizzazione in questo contesto si riferisce al rendere queste ampiezze ineguali nuovamente uguali, e quindi di fatto compensando la distorsione; lo stesso può dirsi della fase. Le variazioni di fase dipendenti dalla frequenza (oppure le variazioni nei ritardi di gruppo) fanno sì che le componenti di frequenza del segnale arrivino in momenti diversi, pertanto l’equalizzazione può essere semplicemente descritta come l’azione necessaria per far arrivare le componenti del segnale equivalenti in termini di tempo e magnitudine. Oggi l’equalizzazione si riferisce a tutte le tecniche utilizzabili per compensare gli effetti indesiderati del canale, di solito confinate agli effetti dipendenti dai dati. I metodi applicati per l'equalizzazione includono la pre-enfasi del trasmittente, l’equalizzazione lineare del ricevente e l’equalizzazione del feedback decisionale. La pre-enfasi (o de-enfasi a seconda di come la si voglia vedere) è in effetti la pre-distorsione del segnale che serve ad anticipare l’effettiva distorsione del canale. Generalmente coinvolge l’aumento della magnitudine delle componenti in alta frequenza relativa alle componenti a bassa frequenza per anticipare la dispersione del canale. La pre-enfasi del trasmittente è di solito implementata con un filtro di risposta agli impulsi (impulse response filter – FIR) mentre gli equalizzatori lineari del ricevente (Les) agiscono come la pre-enfasi ma nella parte terminale del canale.

I vari metodi includono filtri trasversali (anch’essi FIR) che sommano le versioni ritardate del segnale ricevuto consentendo un’equalizzazione basata su simboli pregressi e futuri che arrivano al ricevente (con un ritardo nella pipeline). In ultimo la Dfe (Decision Feedback Equalization), la quale utilizza le decisioni prese nella decodifica dei bit al ricevente per anticipare la verosimiglianza dei futuri bit decisionali in arrivo, è sempre più utilizzata. Siccome è presente un elemento non lineare nel sistema (lo slicer) il Dfe è considerato non lineare. La pre-enfasi del trasmittente e il Dfe sono largamente in uso al giorno d’oggi e solitamente vengono utilizzate contemporaneamente più forme di equalizzazione per sfruttare i vantaggi e mitigare gli svantaggi di ambo i tipi di equalizzatori.

 

 

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