ניתוח ריצוד באמצעות אוסילוסקופ

ג’וני הנקוק, Agilent Technologies

כל שקצבי הנתונים ממשיכים לעלות במסגרת התכנונים המתקדמים וגבוהי המהירות של ימינו, כך תקציב-הזמן הולך וקטן. על מנת להבטיח את התקפות והיציבות של אותות הנתונים הטוריים בעת דגימת הנתונים על-ידי המקלטים, נדרשת לעתים הבנה של ההשפעה שנודעת לרכיבים השונים של הריצוד, אשר עשויה לגרום לכמות מופחתת של חלונות נתונים תקפים. כלי המדידה העיקרי שבו נעשה שימוש כיום על-ידי מהנדסי החומרה לצורך לכידה והצגה של ריצוד צורות הגל הוא האוסילוסקופ. רבים מהאוסילוסקופים האיכותיים שקיימים כיום בשוק אף מספקים יכולות מדידה אופציונאליות נוספות של ניתוחי ריצוד, שעשויות לשמש להצגת הריצוד בתבניות תצוגה שונות ולכימות רכיבי הריצוד השונים.
מאמר זה מספק סקירה כללית של תבניות התצוגה השונות שבהם ניתן להשתמש כדי להציג ריצוד באוסילוסקופ, לרבות היסטוגרמות אופקיות של צורות גל, היסטוגרמות TIE, צורות גל עם מגמות TIE וכן צורות גל של ספקטרום הריצוד. כמו כן, המאמר עוסק באלגוריתמים שונים של שחזור שעון (Clock Recovery) ובתצוגות עין בזמן אמת.

תצוגות מרוכבות של ריצוד ושחזור שעון (Clock Recovery)
הבה נתחיל בהגדרת הריצוד. ריצוד הוא סטייה של אירוע תזמון של אות ממיצובו האידיאלי. מאורע זה מוגדר לעתים מזומנות כשגיאת מרווח זמן (TIE). לעתים קרובות, המהנדסים מתייחסים לריצוד כאל “קצה מנתר” ביחס לנקודת הייחוס (נקודת ה-trigger), כמתואר באיור 1. בדוגמת דגימה זו, אנו לוכדים בצורה חוזרת ובמחזורים מרובים את קצהו של אות שעון, לאחר נקודת הייחוס המוגדרת כ-trigger על גבי אותו אות. הקצב המהיר של עדכון צורת הגל משפר את יכולתו של הסקופ ללכוד ולהציג במהירות נקודות קיצון של ריצוד כגון זה. בנוסף, באיור 1 מוצג תרשים היסטוגרמה של ריצוד הגל, המשקף את הריצוד בתחום צר של הגלים המצויים בעוצמה של 50%. תרשים היסטוגרמה אופקי של צורת הגל מציג את פונקציית ההתפלגות של הריצוד המרוכב, בקורלציית לזמן של הגלים שנלכדו. בדוגמה זו, אנו רואים כי הריצוד מתאפיין בהתפלגות דו-מצבית, שאינה מזוהה בקלות בעת הצגה של צורת הגל שנלכדת בצורה חוזרת בלבד. היסטוגרמה אופקית של צורת הגל היא הסוג הפשוט ביותר של מדידת ריצוד והנה יכולת סטנדרטית (לא נדרשת אופציה של ניתוח ריצוד מיוחד), אשר כלולה ברוב האוסילוסקופים האיכותיים שקיימים כיום בשוק.
אף על פי שלכידה והצגה של ריצוד באות שעון חוזר היא משימה פשוטה למדי, הלכידה וההצגה של ריצוד באותות של נתונים טוריים היא משימה מורכבת מעט יותר, במיוחד אם אין אות שעון ברור ורציף שעליו ניתן להפעיל trigger. ברוב האפיקים הטוריים במהירות גבוהות המקובלים בימינו השעון טמון בנתונים עצמם (embedded clocks – nonexplicit), שאותם נדרשים לשחזר המקלטים באפיקים אלה. ניתוח ריצוד באותות נתונים של אפיק טורי עם-embedded clocks משמעותו, כי גם על הסקופ להיות מסוגל לשחזר את השעון מתוך זרם הנתונים. שחזור שעון באוסילוסקופ מתבצע על-ידי אלגוריתם תוכנה (בדרך כלל חלק מאופציית ניתוח הריצוד), לצורך יצירת שעון וירטואלי אשר מדמה את שחזור השעון של מקלט אפיק נתונים טורי. שעון וירטואלי זה משמש כגל ייחוס לצורך ביצוע מדידות TIE מרובות על נתונים עוקבים, וזאת עם ניתוח של האותות הטוריים שנלכדו בזיכרון העמוק של הסקופ.
באיור 2 מוצגת דוגמה ללכידות חוזרות של אות רציף של נתונים טוריים. כיוון שאין לנו אות ייחוס שישמש כמקור trigger – למעט האות עצמו – הרי שהיינו יכולים להציג את שגיאת התזמון של כל קצה נתונים (ריצוד). כדי לבצע ניתוח ריצוד על גבי צורת גל זו, נצטרך להשתמש באופציית ניתוח הריצוד של הסקופ עם שחזור שעון.
בעת שימוש באופציית ניתוח הריצוד של הסקופ, תחילה עלינו להגדיר לסקופ לכידה של מספר פרקי זמן של סיביות עבור אות הנתונים, וזאת באמצעות לכידת הזיכרון העמוק של הסקופ. לרוב, פרק זמן הסיביות של אות נתונים טוריים מכונה בשם “מרווח זמן יחידה” (UI). לאחר מכן, נבצע ניתוח ריצוד על TIE הנתונים, על סמך אלגוריתם קבוע של שחזור שעון.
באיור 3 מוצג הריצוד שנמדד בתרשים היסטוגרמה. עם זאת, הנתונים שהפיקו את תרשים ההיסטוגרמה שונים עד מאוד מאלה ששימשו להפקת תרשים ההיסטוגרמה של צורת הגל האופקית בדוגמת המדידה הקודמת (איור 1) של ריצוד השעון. במקום להפיק את תרשים ההיסטוגרמה מתוך נתוני צורת גל שנלכדו ביחס לנקודת ה-trigger, תרשים זה מבוסס על שגיאת התזמון שנמדדה עבור כל קצה נתונים שנלכד (עלייה וירידה) ביחס לשעון המשוחזר (לא מופיע). בנוסף להצגת ההיסטוגרמה, הסקופים גבוהי הביצועים של ימינו אף מציגים נתונים סטטיסטיים מלאים בנוגע להיסטוגרמת המדידה (ראה הלוח הימני הקיצוני של תצוגת הסקופ באיור 3). בתרשים היסטוגרמה זה ניתן לראות, כי הריצוד של אות הנתונים הטוריים מתאפיין ברכיב גאוסיאני (רנדומלי) חזק, כמו גם ברכיב
דטרמיניסטי דו-מצבי. יתר על כן, ניתן לראות כי תרשים ההיסטוגרמה מציג נקודות חריגות חשודות (outliers) בסמוך לצד הימני התחתון של אזור התצוגה של צורת הגל בסקופ.
כעת נבחן את שגיאת התזמון הזו בפורמט תצוגה/תרשים אחר, אשר עשוי לחשוף מידע נוסף אודות הריצוד.
באיור 4 מוצג ניתוח ריצוד זהה, בתוספת צורת הגל של מגמת ה-TIE של הריצוד (האות הסגול). צורת הגל של מגמת ה-TIE מהווה תרשים של שגיאת התזמון (ציר אנכי) של כל קצה נתונים, ביחס לשעון המשוחזר לעומת הזמן (ציר אופקי). צורת גל זו קשורה בקורלציית זמן לאות הנתונים הטוריים שנלכד (אות צהוב). על סמך תרשים זה ניתן לראות, כי אות הנתונים שלנו מתאפיין במרכיב סינוסואידלי שעומד בקורלציה להתפלגות הדו-מצבית של תרשים ההיסטוגרמה של הריצוד. בנוסף לאפנון הסינוסואידלי, נראה כי אות הנתונים שלנו מתאפיין בריצוד אקראי מסוג Extreme Positive, כפי שניתן ללמוד מן ה”חודים” שמופיעים בצורת הגל של מגמת ה-TIE. שגיאות אלה יוצרות את הנקודות החריגות החשודות כשגיאה (outliers) בתרשים ההיסטוגרמה.
הגדרת תדירות האפנון עשויה לספק לנו מידע בנוגע למקור הריצוד. רבים מן האוסילוסקופים האיכותיים שקיימים בשוק מאפשרים למדוד ישירות את תדירות המגמה של המדידה. אם יכולת זו אינה זמינה, הרי שניתן להשתמש בסמני התזמון של הסקופ לצורך מדידת פרק הזמן של האפנון הסינוסואידלי. אפשרות אחרת היא להפעיל את תצוגת הספקטרום של הריצוד (אות סגול תחתון), כמתואר באיור 5. צורת הגל של ספקטרום הריצוד מופקת על-ידי ביצוע פעולת FFT מתמטית על צורת הגל של מגמת ה-TIE (אות סגול עליון). כל שלוש השיטות מאפשרות לנו לקבוע מהו תדר אפנון הריצוד, אשר במקרה זה הנה
20kHz בדיוק.
בדוגמאות שלעיל, אשר מתייחסות למדידת הריצוד, אלגוריתם שחזור השעון מוצא אוטומטית את קצב הסיביות הנומינלי של אות האפיק הטורי, וזאת על סמך שעון קבוע. בנוסף, אוסילוסקופים המצוידים בניתוח ריצוד כוללים לרוב גם אלגוריתמי שחזור שעון המבוססים על-Phase-Lock Loop () של First-Order
ו-Second-Order. רבות מן המערכות הדיגיטליות המהירות של ימינו מבצעות אפנון של השעון המשודר. שיטה זו מכונה בשם Spread Spectrum Clocking
(), והיא משמשת בעיקר
להפחתת הפרעות אלקטרומגנטיות. אם האוסילוסקופ שלך מצויד ב-SSC, בחר באלגוריתם שחזור שעון מסוג PLL לצורך הדמיית שחזור השעון מסוג PLL של רסיברים במערכות SSC. באיור 6 מוצגות מדידות ריצוד על גבי אותם נתונים של אפיק טורי, אולם הפעם נעשה שימוש באלגוריתם שחזור שעון מסוג First-Order PLL עם רוחב פס לולאה נקוב של
200kHz. השווה בין איור 4 לאיור 6. שים לב, כי האפנון הסינוסואידלי של 20kHz נעלם למעשה מצורת הגל של מגמת ה-TIE אשר מוצגת באיור 6, וכי היסטוגרמת הריצוד מתחילה להיראות פחות כדו-מצבית ויותר גאוסיאנית.

תצוגות עין בזמן אמת
דרך שימושית נוספת להצגת הריצוד באותות נתונים טוריים כוללת את הצגת הנתונים של צורת הגל שנלכדה כעין בזמן אמת, כמתואר באיור 7. עין בזמן אמת היא overlay של כל UI שנלכד. על סמך שחזור השעון, הסקופ מפלג את צורת הגל שנלכדה לפרקי זמן נפרדים של סיביות, ולאחר מכן ממקם כל פרוסה בתצוגה בודדת ומבוססת צבע. שיטה זו בתורה מספקת תצוגה מרוכבת של רעש וריצוד קצה,
Peak-to-Peak. בדוגמת מדידה זו ניתן גם לראות סטיות Extreme Positive בקצוות הנתונים (עקבות כחולות כהות), אשר גורמות ל”נקודות החשודות” שנחשפו בתרשים ההיסטוגרמה (איור 3) ולחודים שמופיעים בצורת הגל של מגמת TIE (איור 4). בנוסף, קיימת גם יכולת מדידה אוטומטית של גובה העין ורוחבה, אשר קובעת את חלון הנתונים התקפים.
מדידות הריצוד ומדידות העין בזמן אמת שמופיעות לעיל בוצעו באמצעות האוסילוסקופ החדש מדגם
InfiniiVision 6000 X-Series של Agilent, שמתאפיין ברוחב פס של 6-GHz ומצויד באופציית DSOX6JITTER. אוסילוסקופ זה הוא היחיד בשוק הכולל מערכת הפעלה משובצת ותומך גם בניתוח ריצוד. זהו גם האוסילוסקופ הזול מסוגו, שהנו בעל רוחב פס של 6-GHz וכולל מדידות ריצוד אופציונאליות. ניתן לבצע מדידות ריצוד זהות גם באמצעות אוסילוסקופים מסדרת Infiniium של Agilent, המצוידים באופציית ניתוח הריצוד הבסיסית EZJIT. באמצעות אופציית ניתוח הריצוד המתקדמת
EZJIT, האוסילוסקופים מסדרת Infiniium של Agilent יכולים לבצע מדידות הפרדה של ריצוד, לצורך כימות הרכיבים השונים של ריצוד דטרמיניסטי ורנדומאלי.