Jonathan Harris, Analog Devices
מבוא: עם האימוץ העולה של ממשק JESD204 בממירי נתונים, היה חיוני להשקיע יותר תשומת-לב לביצועים ולייטוב של הממשק הדיגיטלי. ההתמקדות צריכה להיות לא רק בביצועי ממיר הנתונים. שתי הגרסאות הראשונות של התקן, JESD204 ב-2006 ו-JESD204A ב-2008, נקטו בקצבי נתונים של 3.125Gbps. הגרסה האחרונה, JESD204B, שפורסמה ב-2011, מציינת שלוש דרגות מהירות בעלות קצב נתונים מרבי של 12.5Gbps. שלוש דרגות המהירות הללו נשלטות על-ידי שלושה מפרטי ממשקים חשמליים שונים המנוסחים על-ידי ה-Optical Internetworking Forum . עבור קצבי נתונים של עד 3.125Gbps, ה-OIF-Sx5-01.0 מפרט את מפרטי הממשק החשמלי בעוד CEI-6G-SR ו-CEI-11G-SR מפרטים את המפרטים עבור קצבי נתונים של עד 6.375Gbps ו-12.5Gbps בהתאמה. קצבי הנתונים המהירים דורשים להעניק יתר תשומת-לב לתכנון ולביצועים של מנהלי-התקן CML, המקלטים ורשת החיבורים המרכיבים את הממשק הפיסיקאלי (PHY) של ממשק ה-JESD204B.
כדי להעריך את ביצועי ה-PHY עבור משדר JESD204B, קיימות מדידות ביצועים אחדות המוערכות. אלו כוללות מתח במוד משותף, מתח הפרשי שיא-לשיא, עכבה הפרשית, הפסד חזרה במוצא הפרשי, הפסד חזרה במוד המשותף, זרם הקצר של המשדר, מסיכת דיאגרמת העין וריצוד. מאמר זה יתמקד בשלוש מדידות ביצועים עיקריות המשמשות לרוב כדי להעריך את איכות האות המשודר, דיאגרמת העין, עקומת האמבטיה ועקומת ההיסטוגרמה. מדידות אלו מבוצעות מהיבט המקלט מאחר וזה המקום בו יש לפענח נכונה את האות. דיאגרמת העין מכסה רכישות מרובות של מעברי נתוני המוצא כדי ליצור עקומה היכולה לתת הערכות רבות על איכות החיבור. ניתן להשתמש בעקומה כדי לנתח מאפיינים רבים של הממשק הפיסיקאלי JESD204B כגון אי-רציפות העכבה וסיומות לא מתאימות. זוהי רק דרך אחת בה ניתן להעריך את השכבה הפיסיקאלית. עקומת האמבטיה ועקומת ההיסטוגרמה הן שתי מדידות חשובות אחרות המשמשות להעריך את איכות חיבור ה-JESD204B. עקומת האמבטיה נותנת תצוגה ויזואלית של קצב השגיאה (error rate-BER) עבור רוחב פתיחת עין נתונה הנמדדת במונחים של מרווח יחידה (unit interval-UI). מרווח היחידה הוא הזמן המצוין הניתן במפרטי השכבה הפיסיקאלית עבור JESD204B הנותן את כמות הזמן בין מעברי הנתונים. המדידה השלישית היא עקומת ההיסטוגרמה הנותנת את פילוג שוני ה-UI הנמדד. המדידה מהווה גם אינדיקאציה של כמות הריצוד הנמצאת באות הנמדד. ניתן להשתמש בעקומה זו יחד עם דיאגרמת העין ועקומת האמבטיה כדי למדוד את הביצועים הכוללים של השכבה הפיסיקאלית של ממשק ה-JESD204B. מוצג כאן משדר JESD204B עם קצב נתוני מוצא של 5.0Gbps. הביצועים עבור משדר לפי קצב נתונים זה מפורטים במפרט CEI-6G-SR של OIF.
דיאגרמת העין
איור 1 מראה את דיאגרמת העין עבור משדר JESD204B בעל קצב נתונים של 5.0Gbps. צורת הגל האידיאלית מוצגת על-גבי צורת-גל מדודה. באופן אידיאלי המעבר יהיה כמעט מיידי ללא עליית-יתר או ירידת-יתר וללא כל צילצול. בנוסף, נקודות ההצטלבות הקובעות את ה-UI יהיו ללא ריצוד. כפי שניתן לראות מאיור 1, במערכת ממשית לא ניתן להשיג צורות-גלים אידיאליות בשל תווך השידור בעל הפסדים וסיומות שאינם תואמים במדויק. דיאגרמת העין המוצגת היא מדידה שנערכה במקלט במערכת JESD204B. האות הועבר דרך מחבר ובכ-20 סמ’ של קווי תמסורת הפרשיים לפני שהגיע לנקודת המדידה. דיאגרמת-העין מראה תאום עכבות סביר בין המשדר והמקלט ותווך שידור טוב ללא אי-רציפויות עכבת גדולות. היא מציגה כמות של ריצוד, אך לא מעבר למפרטים עבור ממשק ה-JESD204. דיאגרמת-העין איננה מציגה כל עליית-יתר(overshoot), אך יש לה כמות קטנה של ירידת-יתר (undershoot) בקצוות העולים בשל ההאטה של האות העובר דרך תווך השידור. אולם ניתן לצפות לזה לאחר מעבר דרך המחבר וה-20 סמ’ של קווי תמסורת הפרשיים. ה-UI הממוצע שואף להתאים ל-UI הצפוי של כ-200ps כאשר לאות יש כמות קטנה של ריצוד. ככלל, דיאגרמת-העין מציגה אות טוב למקלט שלא יהיה לו קשה לשחזר את שעון הנתונים המובנה ולפענח נכון את הנתונים.
דיאגרמת-העין המוצגת באיור 2 נמדדת באותו תווך שידור ששימש במדידה עבור איור 1 מלבד עכבת הסיומת שאיננה נכונה. התוצאות ניתנות לראות בכמות הריצוד העולה הקיימת באות בנקודות ההצלבה כמו גם באזורים של חוסר-מעבר. האמפליטודה הכוללת נדחסת ברבות מרכישות הנתונים וגורמות לדיאגרמת-עין המתחילה להיסגר. ההפחתה תגרום לעלייה ב-BER במקלט ועשויה לגרום להפסד של חיבור ה-JESD204B במקלט במקרה שהעין נסגרת מעבר למה שהמקלט מסוגל לשאת.
דיאגרמת-העין המוצגת באיור 3 מציגה מקרה אחר של שידור לא-אידיאלי של נתונים. במקרה זה אי-הרציפות של העכבה מופיעה בנקודת אמצע בין המשדר והמקלט (במקרה זה אוסילוסקופ). כפי שניתן לראות מהביצועים המופחתים בעקומה, פתיחת העין נסגרת כלומר האזור בתוך נקודות המעבר קטן. הקצוות העולים והיורדים של הנתונים מופחתים בצורה חמורה בשל ההחזרות של אי-רציפות העכבה בקו התמסורת. אי-הרציפות של העכבה גם גורמת לעלייה בכמות הריצוד הנמדד בנקודות המעבר של הנתונים. בשעה שהעין נסגרת מעבר לגבולות היכולת המקלט לפענח את תזרים הנתונים, חיבור הנתונים יאבד.
עקומת האמבטיה
בנוסף לדיאגרמת-העין, עקומת האמבטיה גם מקנה מבט שימושי על איכות שידור הנתונים הטורי בחיבור נתונים של JESD204B. עקומת האמבטיה היא מדידה של ה- (bit error rate) כפונקציה של נקודת הדגימה בשעה שהיא נעה בזמן על-פני דיאגרמת-העין. עקומת האמבטיה מופקת על-ידי העברת נקודת הדגימה על-פני דיאגרמת-העין ומדידה של ה-BER הנוצר בכל נקודה. כפי שמוצג באיור 4, ככל שנקודת הדגימה קרובה יותר למרכז העין, ה-BER פוחת. בשעה שנקודת הדגימה הנעה מתקרבת לנקודות המעבר של דיאגרמת-העין, ה-BER עולה. המרחק בין שני השיפועים של עקומת האמבטיה ב-BER נתון, נותן את פתיחת העין ב-BER הנקוב (10-12 במקרה זה).
עקומת האמבטיה גם מספקת מידע על רכיבי הריצוד (Tj) הקיימים באות. כפי שמוצג באיור 5, כאשר נקודת המדידה היא בנקודות המעבר או קרוב אליהן, היא יחסית שטוחה ורכיב הריצוד העיקרי הוא ריצוד דטרמיניסטי. כמו במדידות של דיאגרמת-העין, עקומות האמבטיה הן ממדידות במשדר JESD204B של 5.0Gbps הנמדדות במקלט לאחר המעבר דרך מחבר וכ-20 סמ’ של קו תמסורת. בשעה שנקודת המדידה מתקרבת למרכז הפתיחה של העין, מנגנון הריצוד הראשוני הוא ריצוד אקראי. ריצוד אקראי הוא תוצאה של מספר גדול של תהליכים שהם לרוב קטנים בגודל. מקורות טיפוסיים כוללים רעש תרמי, שינויים בעובי העקבה, רעש יריות (shot noise) וכד’. ה-PDF (probability density function) של ריצוד אקראי מתנהג כפילוג גאוסי. מאידך, ריצוד דטרמיניסטי נובע ממספר קטן של תהליכים שעשויים להיות בעלי ממדים גדולים ולא להיות עצמאים. ה-PDF של ריצוד דטרמיניסטי הוא תחום ובעל ערך שיא-לשיא מוגדר היטב. הוא יכול לשאת צורות שונות והוא לא גאוסי טיפוסי.
מבט מורחב על עקומת האמבטיה אשר נדונה באיור 4 נתון באיור 6 להלן. הוא מציג פתיחת עין של כ-0.6 (unit interval) במקלט עבור שידור נתונים טורי של
5.0Gbps עם BER של 10-12. חשוב לציין שעקומת האמבטיה דוגמת זו שבאיור 6 היא מדידה מחויצת (extrapolated). האוסילוסקופ ששימש לקלוט את הנתונים מקבל סדרת מדידות ומחייץ את עקומת האמבטיה. אילו השתמשו ב-BERT (bit error rate tester) וצברו מספיק מדידות כדי לבנות את עקומת האמבטיה, הדבר היה גוזל שעות או אף ימים, אפילו עם הפעולה המהירה ביותר של ציוד המדידה העכשווי.
כמו במקרה של דיאגרמת-העין, ניתן לראות סיומת בלתי מתאימה של אי-רציפות העכבה במערכת בעקומת האמבטיה. בניגוד לעקומת האמבטיה באיור 6, עקומות האמבטיה שבאיור 7 ואיור 8 מציגות שיפועים הרבה יותר רדודים בכל צד. פתיחת העין עבור BER של 10-12 היא רק 0.5UI בשני המקרים, שזה יותר מאשר 10% פחות מאשר ה-0.6UI בתנאים טובים. הסיומת הלא נכונה ואי-רציפות העכבה תורמות כמות גדולה של ריצוד אקראי למערכת. דבר זה בולט בשיפוע הפוחת בכל צד של עקומת האמבטיה ביחד עם פתיחת העין היורדת ב-BER של 10-12. יש גם עלייה קטנה של הריצוד הדטרמיניסטי. דבר זה בולט שוב בשיפוע היורד בקרבת הקצוות של עקומת האמבטיה.
עקומת ההיסטוגרמה
מדידה שימושית שלישית היא עקומת ההיסטוגרמה. עקומה זו מראה את פילוג תקופות המדידה בין נקודות המעבר בשידור הנתונים. כמו במדידות דיאגרמת-העין ועקומת האמבטיה, עקומות ההיסטוגרמה הן ממשדר JESD204B עם 5.0Gbps הנמדדות במקלט לאחר שעברו דרך מחבר וכ-20 סמ’ של קו תמסורת. איור 9 מראה היסטוגרמה עבור מערכת בעלת ביצועים יחסית טובים ב-5.0Gbps. ההיסטוגרמה מראה פילוג מסוג גאוסי בעיקר עם תקופות הנמדדות בין 185ps ו-210ps. התקופה הצפויה עבור אות של 5.0Gbps צריכה להיות 200ps כלומר הפילוג מתפזר כ7.5%- עד 5% מסביב לערך הצפוי.
כאשר משתמשים בסיומת לא נכונה, כמתואר באיור 10, הפילוג הופך לרחב יותר ומשתנה עתה בין 170ps ו-220ps. דבר זה מעלה את אחוז השינוי
מ15%- עד +10%, כפול מהמדידה המוצגת באיור 9. עקומות אלה מראות שריצוד אקראי לרוב נוכח באות מאחר שיש להן צורה דומה בעיקר לגאוסית. אולם, מאחר שהצורה איננה בדיוק גאוסית מטבעה, הדבר מראה שקיימת לפחות גם כמות קטנה של ריצוד דטרמיניסטי.
ההיסטוגרמה המוצגת באיור 11 מראה את התוצאות של אי-רציפות בעכבה לאורך קו התמסורת. צורת הפילוג איננה דומה לגאוסית כלל והיא פיתחה דבשת משנית קטנה. הערך הממוצע של התקופה הנמדדת הוא גם מוטה. שלא כמו בעקומות באיור 9 ואיור 10, הממוצע איננו יותר
200ps, אלא הוא נע לכיוון 204ps. הפילוג היותר דו-מודלי (bi-modal) מראה שקיים יותר ריצוד דטרמיניסטי במערכת. דבר זה נובע מאי-הרציפות של העכבה הקיימת על קווי התמסורת וההשפעות החזויות שלה על המערכת. תחום הערכים הנמדדים עבור התקופה מוגדל שוב, אם כי לא כל כך הרבה כמו במקרה של סיומת בלתי נכונה. במקרה זה, התחום הוא מ-175ps עד 215ps, שזה תחום של
כ12.5%- עד +7.5% מהתקופה הצפויה. התחום איננו כה גדול, אך, שוב, הפילוג הוא יותר דו-מודלי מטבעו.
סיכום
מספר מדידות ביצועים יכולות לשמש כדי העריך את ביצועי השכבה הפיסיקאלית של משדר JESD204B. אלה כוללות מתח במוד משותף, מתח שיא-לשיא הפרשי, עכבה הפרשית, הפסד החזרה מוצא הפרשי, הפסד החזרה במוד משותף, זרם קצר של המשדר, מסיכת דיאגרמת-עין וריצוד. שלוש מדידות עיקריות נדונו אשר משמשות להערכת איכות האות המשודר. דיאגרמת-העין, עקומת האמבטיה ועקומת ההיסטוגרמה הן שלוש מדידות ביצועים חשובות המשמשות להערכת איכות החיבור של JESD204B. לסוגיות מערכת דוגמת הסיומות הלא נכונות ואי-רציפויות העכבה יש השפעה משמעותית על ביצועי השכבה הפיסיקאלית. השפעות אלו בולטות על רקע הביצועים המופחתים המוצגים בדיאגרמת-העין, עקומת האמבטיה ועקומת ההיסטוגרמה. חשוב להקפיד על נהלי תכנון טובים כדי לסיים נכון את המערכת ולמנוע אי-רציפויות עכבה בתווך השידור. לאלה יש השפעות שליליות ניכרות על שידור הנתונים ועשויים לגרום לחיבור נתונים שגוי בין המשדר JESD204B והמקלט. שימוש בטכניקות למניעת סוגיות אלו יסייע להבטיח מערכת הפועלת נכון.
סימוכין
JEDEC Standard JESD204B (July 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, December 2006.
Application Note 5989-5718EN: Using Clock Jitter Analysis to Reduce BER in Serial Data Applications. Agilent Technologies, December 2006.
JEDEC Standard JESD204B (July 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, December 2006.
Application Note 5989-5718EN: Using Clock Jitter Analysis to Reduce BER in Serial Data Applications. Agilent Technoloiges, December 2006.
