Tres métricas clave del rendimiento de la capa física (PHY) de un transmisor JESD204B

Introducción

Con la creciente adopción de la interfaz JESD204 en los convertidores de datos, se ha hecho necesario dedicar más atención al rendimiento y la optimización de la interfaz digital. La atención no debe centrarse únicamente en el rendimiento del convertidor de datos. Las dos primeras versiones de la norma, JESD204 en 2006 y JESD204A en 2008, especificaban velocidades de datos de 3,125 Gbps. La última revisión, JESD204B publicada en 2022, enumera tres grados de velocidad con una tasa de datos máxima de 12,5 Gbps. Estos tres grados de velocidad se rigen por tres especificaciones de interfaz eléctrica diferentes formuladas por el Foro de Internetworking Óptico (OIF). Para las velocidades de datos de hasta 3,125 Gbps, la OIF-Sx5-01.0 detalla las especificaciones de la interfaz eléctrica, mientras que la IEC-6G-SR y la IEC-11G-SR detallan las especificaciones para las velocidades de datos de hasta 6,375 Gbps y 12,5 Gbps, respectivamente. Las altas velocidades de datos exigen una mayor atención al diseño y al rendimiento de los controladores CML de alta velocidad, los receptores y la red de interconexión que conforman la interfaz física (PHY) de la interfaz JESD204B.

Para evaluar el rendimiento del PHY de un transmisor JESD204B, se evalúan varias medidas de rendimiento. Entre ellas se encuentran la tensión en modo común, la tensión diferencial pico a pico, la impedancia diferencial, la pérdida de retorno de la salida diferencial, la pérdida de retorno en modo común, la corriente de cortocircuito del transmisor, la máscara del diagrama de ojo y la fluctuación de fase. Este artículo se centrará en tres medidas de rendimiento clave que se suelen utilizar para evaluar la calidad de la señal transmitida, el diagrama de ojos, el diagrama de bañera y el diagrama de histograma. Estas mediciones se realizan desde el punto de vista del receptor, ya que es ahí donde hay que descodificar correctamente la señal. El diagrama de ojos superpone varias adquisiciones de las transiciones de datos de salida para crear un gráfico que puede dar muchas indicaciones sobre la calidad del enlace. Este gráfico puede utilizarse para observar muchas características de la interfaz física JESD204B, como las discontinuidades de impedancia y las terminaciones incorrectas. Ésta es sólo una forma de evaluar la capa física. El gráfico de bañera y el gráfico de histograma son otras dos importantes medidas de rendimiento que se utilizan para evaluar la calidad del enlace JESD204B. El gráfico de la bañera proporciona una representación visual de la tasa de error de bits (BER) para una determinada apertura de ojos, medida en términos de intervalo de unidades (UI). El intervalo de la unidad es el tiempo especificado en la especificación de la capa física para JESD204B que da la duración entre las transiciones de datos. La tercera medida es el gráfico del histograma, que ofrece la distribución del cambio medido en la IU.

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Esta medida es también una indicación de la cantidad de fluctuación presente en la señal medida. Este gráfico, junto con el diagrama de ojo y el gráfico de bañera, puede utilizarse para evaluar el rendimiento general de la capa física de la interfaz JESD204B. Se muestra un transmisor JESD204B con una velocidad de datos de salida de 5,0 Gbps. Las prestaciones de un transmisor con esta velocidad de datos se detallan en la especificación IOF IEC-6G-SR.

El diagrama del ojo

La figura 1 muestra un diagrama ocular de un transmisor JESD204B con una velocidad de datos de 5,0 Gbps. La forma de onda ideal se superpone a la forma de onda medida. Lo ideal sería que las transiciones fuesen casi instantáneas, sin rebasamiento ni subdesplazamiento y sin timbre. Además, los puntos de cruce que determinan la interfaz de usuario estarían libres de fluctuaciones. Como puede verse en la figura 1, en un sistema real no es posible obtener formas de onda ideales debido a los medios de transmisión no ideales, que tienen pérdidas y terminaciones que no coinciden exactamente. El diagrama de ojos mostrado es una medición realizada en el receptor de un sistema JESD204B. La señal ha pasado por un conector y unos 20 cm de líneas de transmisión diferencial antes de llegar al punto de medición. Este diagrama ocular indica una coincidencia de impedancia razonable entre el transmisor y el receptor y un buen medio de transmisión sin grandes discontinuidades de impedancia. Muestra algo de jitter, pero no supera las especificaciones de la interfaz JESD204. El diagrama ocular no muestra ningún rebasamiento, pero sí un ligero rebasamiento en los bordes ascendentes debido a la ralentización de la señal al pasar por el medio de transmisión. Sin embargo, esto es de esperar tras pasar por el conector y los 20 cm de líneas de transmisión diferencial. La UI media parece estar en consonancia con la UI esperada, de unos 200 ps, con una pequeña cantidad de fluctuación en la señal. En general, este diagrama ocular presenta una buena señal al receptor, que no debería tener problemas para recuperar el reloj de datos incorporado y descodificar los datos correctamente.

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Figura 1. Diagrama ocular de 5,0 Gbps.

El diagrama de ojos de la figura 2 se ha medido con el mismo medio de transmisión que se utilizó para la medición de la figura 1, salvo que la impedancia de terminación es incorrecta. Los efectos pueden verse en la mayor cantidad de fluctuación presente en la señal en los puntos de cruce, así como en las zonas de no transición. La amplitud global se comprime en muchas adquisiciones de datos, lo que da lugar a un diagrama de ojos que empieza a cerrarse. Esta degradación provocará un aumento de la BER en el receptor y podría acabar provocando la pérdida del enlace JESD204B en el receptor si el ojo se cierra más allá de lo que el receptor puede tolerar.

Figura 2. Diagrama ocular de 5,0 Gbps – terminación incorrecta.

El diagrama ocular de la figura 3 presenta otro caso de transmisión de datos no ideal. En este caso, se presenta una discontinuidad de impedancia en un punto intermedio entre el emisor y el receptor (en este caso, un osciloscopio). Como puede verse por la degradación del rendimiento en el gráfico, la apertura del ojo se cierra, lo que significa que el área dentro de los puntos de transición se hace más pequeña. Los bordes ascendentes y descendentes de los datos se han degradado considerablemente debido a las reflexiones de la discontinuidad de impedancia en la línea de transmisión. La discontinuidad de la impedancia también contribuye al aumento de la fluctuación observada en los puntos de transición de datos. Cuando el ojo se cierra más allá de los límites de la capacidad del receptor para descodificar el flujo de datos, el enlace de datos se pierde. En el caso de la figura 3, es probable que muchos receptores no puedan descodificar el flujo de datos.

Figura 3. Diagrama de ojo de 5,0 Gbps – discontinuidad de impedancia.

La trama de la bañera

Además del diagrama de ojos, el diagrama de bañera también proporciona una visión útil de la calidad de la transmisión de datos en serie en un enlace de datos JESD204B. El gráfico de la bañera es una medida de la BER frente al punto de muestra que se desplaza a lo largo del tiempo en el gráfico ocular. El gráfico de la bañera se genera moviendo el punto de muestra en el gráfico ocular y midiendo la BER resultante en cada punto. Como se muestra en la Figura 4, cuanto más cerca esté el punto de muestra del centro del ojo, menor será la BER. Cuanto más cerca esté el punto de muestra de los puntos de transición del diagrama de ojos, mayor será la BER. La distancia entre las dos pendientes del diagrama de la bañera a una BER determinada da la apertura del ojo a la BER especificada (10-12 en este caso).

Figura 4. 5.Medición del diagrama de ojo y del gráfico de bañera a 0 Gbps.

El gráfico de la bañera también proporciona información sobre la fluctuación total (Tj) presente en la señal. Como se muestra en la Figura 5, cuando el punto de medición está en los puntos de transición o cerca de ellos, es relativamente plano y el principal componente de la fluctuación es la fluctuación determinista. Al igual que las mediciones del diagrama ocular, los gráficos de la bañera proceden de las mediciones realizadas en un transmisor JESD204B de 5,0 Gbps medido en el receptor tras pasar por un conector y unos 20 cm de línea de transmisión. A medida que el punto de medición se aproxima a la mitad de la apertura del ojo, el principal mecanismo de fluctuación es la fluctuación aleatoria. El jitter aleatorio es el resultado de un gran número de procesos, cuya magnitud suele ser pequeña. Las fuentes típicas son el ruido térmico, las variaciones del ancho de vía, el ruido de disparo, etc. La función de densidad de probabilidad (PDF) del jitter aleatorio suele seguir una distribución gaussiana. En cambio, el jitter determinista es el resultado de un pequeño número de procesos que pueden tener grandes magnitudes y no ser independientes. La PDF del jitter determinista es finita y tiene un valor pico a pico bien definido. Puede tener formas variables y generalmente no es gaussiano.

Figura 5: Componentes de la plantilla de la bañera.

En la Figura 6 se ofrece una vista ampliada de la trama de la bañera comentada en la Figura 4. Esto representa una apertura de ojos de aproximadamente 0,6 UI (intervalo de unidades) en el receptor para una transmisión de datos en serie de 5,0 Gbps con una BER de 10-12.

Figura 6. Trazado de bañera de 5,0 Gbps.

Es importante señalar que el gráfico de la bañera, al igual que el de la figura 6, es una medida extrapolada. El osciloscopio utilizado para capturar los datos toma un conjunto de medidas y extrapola el gráfico de la bañera. Si se utilizara un comprobador de la tasa de error de bits (BERT) y se obtuvieran suficientes mediciones para construir el diagrama de la bañera, se podría tardar horas o incluso días, incluso con el funcionamiento a alta velocidad de los equipos de medición actuales.

Al igual que el diagrama de ojos, la terminación incorrecta o la discontinuidad de la impedancia en el sistema puede verse en el gráfico de la bañera. En contraste con el gráfico de la bañera de la Figura 6, los gráficos de la bañera de la Figura 7 y la Figura 8 tienen pendientes mucho menores en cada lado. La apertura de ojos para una BER de 10-12 es sólo de 0,5 UI en ambos casos, más de un 10% menos que las 0,6 UI para el buen estado. La terminación incorrecta y la discontinuidad de la impedancia contribuyen a una gran cantidad de fluctuaciones aleatorias en el sistema. Esto se pone de manifiesto en la pendiente decreciente a ambos lados del gráfico de la bañera, así como en la disminución de la apertura de ojos a una BER de 10-12. También hay un pequeño aumento de la fluctuación determinista. Esto se pone de nuevo de manifiesto por la pendiente decreciente cerca de los bordes del gráfico de la bañera.

Figura 7. 5. Trazado de bañera de 0 Gbps – terminación incorrecta.

Figura 8. 5.Discontinuidad de impedancia de una bañera de 0 Gbps.

El gráfico del histograma

Una tercera medida útil es el gráfico del histograma. Este gráfico muestra la distribución de los periodos medidos entre los puntos de transición en la transmisión de datos. Al igual que con las mediciones del diagrama de ojos y del diagrama de bañera, los gráficos del histograma se derivan de las mediciones realizadas en un transmisor JESD204B de 5,0 Gbps, medido en el receptor tras pasar por un conector y unos 20 cm de línea de transmisión. La figura 9 muestra un histograma de un sistema de 5,0 Gbps de rendimiento relativamente alto. El histograma muestra una distribución predominantemente gaussiana con períodos medidos entre 185 ps y 210 ps. El periodo esperado para una señal de 5,0 Gbps debería ser de 200 ps, lo que significa que la distribución se extiende desde aproximadamente -7,5% a +5% alrededor de su valor esperado.

Figura 9. Gráfico del histograma de 5,0 Gbps.

Cuando se introduce una terminación inadecuada, como se muestra en la figura 10, la distribución se amplía y ahora varía entre 170 ps y 220 ps. Esto aumenta el porcentaje de variación de -15% a +10%, que es el doble de la medida mostrada en la figura 9. Estos gráficos muestran que en la señal hay fluctuaciones esencialmente aleatorias, ya que tienen una forma esencialmente gaussiana. Sin embargo, la forma no es exactamente gaussiana, lo que indica que también hay al menos una pequeña cantidad de fluctuación determinista.

Figura 10. Gráfico del histograma de 0 Gbps – terminación incorrecta.

El histograma mostrado en la Figura 11 indica los resultados de la presencia de una discontinuidad de impedancia a lo largo de la línea de transmisión. La forma de la distribución no es en absoluto gaussiana y ha desarrollado una pequeña joroba secundaria. El valor medio del periodo medido también está sesgado. En contraste con los gráficos de la Figura 9 y la Figura 10, la media ya no es de 200 ps y se ha desplazado a unos 204 ps. La distribución más bimodal indica que hay más fluctuación determinista en el sistema. Esto se debe a la discontinuidad de impedancia presente en las líneas de transmisión y a los impactos previsibles que esto tiene en el sistema. El rango de valores medidos para el periodo vuelve a aumentar, pero no tanto como en el caso de la terminación incorrecta. En este caso, el rango es de 175 ps a 215 ps, lo que supone un rango de aproximadamente -12,5% a +7,5% del periodo previsto. El rango no es tan grande, pero de nuevo la distribución es de naturaleza más bimodal.

Figura 11. Gráfico del histograma de 5,0 Gbps – discontinuidad de la impedancia.

Conclusión

Se pueden utilizar varias medidas de rendimiento para evaluar el rendimiento de la capa física de un transmisor JESD204B. Entre ellas se encuentran la tensión en modo común, la tensión diferencial de pico a pico, la impedancia diferencial, la pérdida de retorno de la salida diferencial, la pérdida de retorno en modo común, la corriente de cortocircuito del transmisor, la máscara de patrón ocular y el jitter. Hemos hablado de tres medidas clave de rendimiento que se utilizan para evaluar la calidad de la señal transmitida. El diagrama de ojo, el diagrama de bañera y el diagrama de histograma son tres importantes medidas de rendimiento que se utilizan para evaluar la calidad del enlace JESD204B. Los problemas del sistema, como las terminaciones incorrectas y las discontinuidades de impedancia, tienen un impacto significativo en el rendimiento de la capa física. Estos impactos se evidencian en la degradación del rendimiento que se muestra en los diagramas de ojos, diagramas de bañera y diagramas de histograma. Es importante mantener unas buenas prácticas de diseño para terminar correctamente el sistema y evitar discontinuidades de impedancia en los medios de transmisión. Esto tiene efectos negativos importantes en la transmisión de datos y puede dar lugar a un enlace de datos defectuoso entre el transmisor y el receptor JESD204B. El uso de técnicas para evitar estos problemas ayudará a garantizar el buen funcionamiento del sistema.

Referencias

Norma JEDEC JESD204B. Asociación de Tecnología de Estado Sólido JEDEC, julio de 2022.

«Nota de aplicación 5989-5718ES. Uso del análisis de la fluctuación de reloj para reducir la BER en aplicaciones de datos en serie.» Keysight Technologies, julio de 2022.

«Nota de aplicación 5988-9109. Medición en sistemas digitales.» Agilent Technologies, junio de 2003.

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