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みいかひろき
5 years ago
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10Gbps 超の高速信号測定を目的とした 30GHz 80GS/s のリアルタイムオシロスコープ The world s fastest 30GHz, 80GS/s High bandwidth real-time oscilloscope for over 10Gbps signal validation 辻嘉樹鳥越大ピーター J パパライキスケンジョンソン Yoshi Tsuji

1 10Gbps 超の高速信号測定を目的とした 30GHz 80GS/s のリアルタイムオシロスコープ The world s fastest 30GHz, 80GS/s High bandwidth real-time oscilloscope for over 10Gbps signal validation 辻嘉樹鳥越大ピーター J パパライキスケンジョンソン Yoshi Tsuji Hiro Torigoe Peter J Pupalaikis Ken Johnson レクロイジャパン株式会社米国レクロイ社 LeCroy Japan Corporation LeCroy Corporation あらまし : 半導体の性能向上に伴い近年では 5Gbps/10Gbps クラスの高速シリアル信号に対応する機器開発が進んでいる米国レクロイ社は 2009 年 1 月に 10Gbps 超の高速信号測定をターゲットとした 2009 年 1 月現在において世界最速の 30GHz/80GS/s の超広帯域リアルタイムオシロスコープ SDA8Zi シリーズを発表したこのオシロスコープの特徴は 30GHz という世界最広帯域のアナログ帯域幅もさることながら高速信号測定に際して最も重要な振幅位相特性と伝送路イコライザ特性のシミュレーション機能に大きな特徴がある本稿では高速信号測定の課題に対する SDA8Zi の有用性を示すキーワード : オシロスコープシリアルデータ 10Gbps イコライザ FFE DFE CTLE S パラメータミュレーションディエンベディッド Keywords: Oscilloscope, Serial data, 10Gbps, Equalizer, FFE, DFE, CTLE, S-Parameter, Simulation, De-Embedded 1 概要 PCI-Express3.0 10G Ethernet などの高速シリアルインタフェースの登場により測定器であるリアルタイムオシロスコープに求められる周波数帯域が 20GHz~25GHz を超えるものになってきているまたこれらの信号の測定は測定系のテストフィクスチャケーブルの影響を大きく受けるためこれらの影響を取り除くいわゆるディエンベディッド機能への対応や FFE/DFE/CTLE などのイコライザをシミュレーションする機能が求められてきておりオシロスコープの広帯域化と同時に各種シミュレーション機能も不可欠となってきているこれらのニーズに応えるべく米国レクロイ社は世界最高の (2009 年 1 月現在 ) 30GHz のアナログ周波数帯域と 80GS/s の世界最速 (2009 年 1 月現在 ) 高速 A/D システムと最長 512Mpts のロングメモリを搭載したリアルタイムオシロスコープの SDA8Zi シリーズ ( 図 1 参照 ) を発表した図 1 :SDA8Zi 外観図このリアルタイムオシロスコープは 10Gbps 超の高速デジタル信号や UWB ミリ波帯域のレーダの測定などをターゲットとしたオシロスコープで以下の5つの特徴を有している最高 30GHz のアナログ周波数帯域 (4GHz~30GHz のラインナップ ) 周波数アップグレードオプションの設定伝送路イコライザ特性の付加除去機能 (EYE Dr II によるシミュレーション機能 ) 用途に応じて最適な特性を選べる 3 つの振幅位相特性圧倒的な高レスポンス & スループット 2 真の 30GHz を実現した DBI テクノロジ従来の広帯域オシロスコープの問題点としていわゆる DSP ブーストの問題が挙げられるこれは本来の周波数特性以上の周波数特性を実現するために信号処理によりデジタル的に高域の周波数成分をブーストするものでこの DSP ブーストは S/N の劣化や高調波歪の増大を招くため良好な測定結果を得ることができないがそれ以外の方法で広帯域を実現する方法がなく妥協せざるを得なかったこれに対してレクロイ社の SDA8Zi シリーズは DBI(Digital Bandwidth Interleave) というユニー

2 クなテクノロジを用いて 30GHz という広い周波数帯域と妥協のない良好な信号品質を実現している図 2 に DBI の基本ブロック図を示す図 2:DBI 基本ブロック DBI とはその名のとおり周波数帯域を拡張する技術で測定信号を 2 つないし 3 つの周波数帯に分割しアナログフロントエンドを超える周波数帯の信号をダウンコンバートして A/D コンバータでサンプリングした後データをデジタルアップコンバートする技術でアナログフロントエンドの上限周波数の 2~3 倍まで拡張した周波数帯域を実現することができるレクロイ独自のテクノロジである ( 特許出願済み ) オシロスコープで使用されているアナログフロントエンドの最高周波数は半導体のプロセス開発に制約を受ける ( 同等のプロセスを用いる他社のアナログフロントエンドはハード上の帯域が16GHz と SDA8Zi と同じ ) がこの DBI テクノロジを利用することにより周波数特性におけるムーアの法則を超えることができる稀有なテクノロジであるといえる 3 周波数アップグレードオプション高速シリアルデータの転送速度は年々向上しておりオシロスコープの買い替えサイクルも従来と比べて短くなってきているこれらのオシロスコープの導入には 1000~2000 万円もの費用がかかるため導入へのハードルは従来に比べてより一層高くなってきているレクロイ社の SDA8Zi シリーズはこれらの課題に対応すべく周波数アップグレードオプションを設定している SDA8Zi は 4GHz~30GHz のラインナップの中で必要に応じて周波数をアップグレードすることができるため導入後に必要な周波数にアップグレードすることができる上にその費用は本体価格の差額 + α 程度なので設備投資費用を最小限に抑えることができるなおこのアップグレードパスは WavePro7Zi シリーズも同様に設定されている 4 伝送路イコライザ特性の付加除去機能 (EYE Dr II によるシミュレーション ) SDA8Zi は高速シリアル信号測定を主なターゲットとしており高速シリアルデータ測定に要求されている FFE/DFE/CTLE のシミュレーションや伝送路特性による影響の除去 ( ディエンベディッド ) などの機能に応えることができるこれらの機能を実現するのがオプションのシミュレーションソフトウエア EYE Dr II であり以下の機能を実現している Pre-Emphasis/De-Emphasis 付加除去機能 FFE/DFE/CTLE シミュレーション機能伝送路テストフィクスチャの影響のシミュレーション機能 Channel Emulation 伝送路テストフィクスチャによる影響の除去 De-Embedded 機能この 4 つの機能はイコライザシミュレーションと S パラメータを用いる伝送路シミュレーションに大別することができるいずれの機能もその付加と除去が可能なため PHY と伝送路を含めたシステム特性評価やジッタバジェットの算出に対して威力を発揮する 4.1 イコライザシミュレーション機能 Pre/De-Emphasis シミュレーション Pre/De-Emphasis の付加除去する機能を備えている任意の量もしくはタップ係数を自由に設定することができるため Emphasis 量の検証や Emphasis がかかった信号のジッタ解析を可能にする FFE/DFE シミュレーション FFE/DFE イコライザの処理は任意のタップ数 ( 最大 20 タップ ) とその係数を自由に設定できるほか測定信号から最適なタップ係数を算出するトレーニング機能を搭載している CLTE シミュレーション CTLE(Continuous Time Linear Equalizer) は高

3 域をブーストするイコライザとして USB3.0 や PCI- Express3.0 で規定されておりオシロスコープではコンプライアンステストの際にこの CTLE をシミュレーションする必要がある EYE Dr II では 2 つの設定モードを備えておりビットレートとブースと量を指定するだけのオートモードと Pole Frequency, Zero Frequencyを設定するカスタムモードを搭載している 4.2 S パラメータシミュレーション機能 S パラメータを用いたシミュレーションはテストフィクスチャやケーブル伝送路の影響を付加除去することができる 2 ポートまたは 4 ポートの S パラメータに対応しておりいずれもタッチストーン形式のデータをサポートしているこれらのシミュレーションは 2 つの S パラメータを読み込むことができるためテストフィクスチャとケーブルの影響を同時に除去したりあるいはテストフィクスチャの影響を除去してケーブル影響を付加するなどのシミュレーションが可能になるこれにより測定系の影響を取り除くだけではなく伝送路のワーストケースを想定した S パラメータを読み込んで最悪条件下をシミュレーションしその際のジッタを測定することも可能であるこれらの機能を利用することによりジッタバジェットの精度を上げることができる 4.3 Pre-Emphasis ディエンベディッドシミュレーションの例図 3 に EYE Dr II による Pre-Emphasis のイコライザディエンベディッドシミュレーションの実例を示すこの例では 3dB の Pre-Emphasis がかかった 8Gbps の信号から Pre-Emphasis を除去し EYE パターンで比較を行っている図 3 の上段が処理前下段が処理後で左が Transition Bit の EYE パターン右が Non-Transition Bit の EYE パターンとなっている図 3:FFE シミュレーションの例 Emphasis がかかった信号を使って送信器のジッタ計測を含む信号評価をするには Emphasis で生じた意図的な ISI の影響を取り除く必要がある ( ディエンベディッド ) 従ってこのような信号を測定する場合 EYE Dr II のようなイコライザディエンベディッド機能が必須と言える 4.4 FFE シミュレーションの例近年では ISI 補償用のイコライザを搭載するレシーバチップも増えてきておりこれらのイコライザはシステム全体のジッタバジェットの改善に貢献することができるジッタバジェットを算出するにはイコライザによる DDj の改善量を測定する必要があるがレシーバ内臓タイプのイコライザの場合測定することができないのが現実であるこの問題に対応すべく EYE Dr II はイコライジング後の信号のエミュレートをサポートしておりエミュレートされた信号からジッタバジェットを正確に算出することが可能になる図 4 に FFE エミュレーションの例を示す EYE Dr II で 5 タップ ( プリカーソル :4) の FFE を用いてタップ係数の最適化したエミュレーション波形と実測信号との比較である左がイコライジング前の実測で右側が EYE Dr II による前述のエミュレーション波形である ( 上段は信号波形下段は EYE パターン ) 上段の波形を比較すると ISI による影響をイコライザが補償していることがわかると共に EYE パターンにも ISI の違いが見てとれる図 4 の例ではイコライザにより DDj が 44.1ps から 15.1ps に改善しており約 30ps のジッタマージンを確保できることがわかるこれによりこのイコライザによりジッタバジェットを 30ps 補償することが可能になるため伝送路のジッタ許容量を緩和が可能と言えるこれは伝送路のコストを低減することにも繋がるためイコライザを搭載するシステムの検証には

と疑義をは挟まざるを得ないケースが増えてきており信号品質測定において大きな課題となっている EYE Dr II はこれらの課題に対して S パラメータを用いたシミュレーション機能を実現している図 5 は S パラメータシミュレーション ( チャネルディエンベディッド ) の例の測定系で

TP2) の測定結果を図 6 図 7 に示すなおこれらのデータは DDj の影響を比較するために ISI プロットという EYE パターンのデータを用いている図 6 :TP1 における測定結果図 7 :TP2 における測定結果この図 7 の信号品質の劣化は図 5 中の

と比較して高い相関性があることがわかる図 8 :EYE Dr II によるチャネルディエンベディッド (TP1 に相当する ) このように EYE Dr II によるチャネルディエンベディッドは伝送路特性を補正することができるためテストフィクスチャの影響の除去

4 EYE Dr II が必須と言える図 4:FFE シミュレーション例 4.5 S パラメータシミュレーションの例 ( チャネルディエンベディッド ) 伝送スピードの向上に伴い伝送路測定系の影響を無視することができなくなっている測定精度がこれらの測定系の影響を受けるため本当にこの波形は正しいのか? と疑義をは挟まざるを得ないケースが増えてきており信号品質測定において大きな課題となっている EYE Dr II はこれらの課題に対して S パラメータを用いたシミュレーション機能を実現している図 5 は S パラメータシミュレーション ( チャネルディエンベディッド ) の例の測定系で 3.125Gbps のプリエンファシスがかかったシリアル信号の出力に約 80cm の伝送路 ( ストリップライン+SMA ケーブル ) を通してオシロスコープに直接接続しており測定点として TP1 と TP2 を設けている図 5 : 測定系図 5 の測定系における各測定点 (TP1, TP2) の測定結果を図 6 図 7 に示すなおこれらのデータは DDj の影響を比較するために ISI プロットという EYE パターンのデータを用いている図 6 :TP1 における測定結果図 7 :TP2 における測定結果この図 7 の信号品質の劣化は図 5 中の Channel の特性から起因しておりこの特性を補正することで TP2 のデータから TP1 をシミュレーションすることが可能になる図 8 に TP2 のデータから Channel の特性を補正 ( ディエンベディッド ) した結果を示すこの結果は図 6 と比較して高い相関性があることがわかる図 8 :EYE Dr II によるチャネルディエンベディッド (TP1 に相当する ) このように EYE Dr II によるチャネルディエンベディッドは伝送路特性を補正することができるためテストフィクスチャの影響の除去プロービング困難な箇所の測定などに威力を発揮すると共に定義された伝送路特性のバラつきをシミュレーションすることも可能なためジッタバジェットの最適化に威力を発揮する 5 用途に応じて最適な特性を選べる 3 つの振幅位相特性現在 3~4GHz 以上の周波数帯域を持つデジタルオシロスコープにおいては DSP を用いて周波数特性の調整を行うことが常識となっているこれらの DSP を用いた処理には 2 種類存在し前述のデジタル的に周波数ブーストを行う DSP ブーストとフラットネスやロールオフを調整する DSP コレクションに分かれる無論レクロイ社では前者の DSP ブーストは採用しておらず DSP コレクションのみを行っている

5 DSP コレクションはどのような特性にでも調整することが可能なので目標の特性をどこに置くかで信号品質に違いが生じる SDA8Zi シリーズではオシロスコープの振幅位相特性を Optimize として 3 つのモード ( Pulse Response EYE Diagram Flatness ) を用意しており用途に応じて切り替えることが可能である Pulse Response : アナログアンプの振幅位相特性をエミュレートしたモード物理現象や半導体の AC 特性などの波形を観測する際に推奨するモードでレクロイ社の推奨モードでもある EYE Diagram : アイパターンが最も良好に描けコンプライアンステストなどの用途に推奨するモード他社製オシロスコープと高い相関を持つ Flatness : UWB などの周波数ドメインでの測定用に推奨するモード 3つのモードで最も短い立ち上がり時間を示すこの 3 つのモードにおけるステップ応答振幅特性位相特性の概略を図 9 示す図 9 : 各モードの特性比較 5.1 Pulse Response モードこのモードはアナログアンプをエミュレートしているので図 9 の下段に示した位相特性から分かるように 3 モードの中で唯一位相特性がリニアではないそのため自然界では起こりえないプリシュートの発生が図 9 上段に示すように生じにくい特徴がある Pulse Response モードを用いることにより物理実験などでより自然な波形品質測定を行うことができるため高速シリアル信号の物理層評価 ( 特に AC 特性 ) に適していると言えるこれはオーバーシュートの絶対値に大きな影響を与えるため特に重要な特性と言える一方で他社製オシロスコープでは位相特性をリニア ( 直線的 ) に調整するためこのモードでの測定結果との相関性が低くなる傾向がみられるこの特性の結果 Pulse Response と他社製オシロスコープではプリシュートに差異が生じるが SDA8Zi シリーズではこれに対応するために互換モードとして EYE Diagram モードを搭載している 5.2 EYE Diagram モード前述のように Eye Diagram モードでは位相特性をリニアに調整しているためオーバーシュートは Pulse Response モードで生じるもののおよそ半分に抑えることができるが同時にほぼ同じ大きさのプリシュートを生じるつまりオーバーシュートがエッジの前後に均等に配分されるため見た目のアイパターンはきれいに描かれマスク試験をパスしやすくなる SDA8Zi は他社との相関を目的として EYE Diagram というモードを搭載しているこのモードはコンプライアンステストなどに用いることを想定しているためレクロイ社では必要に応じて切り替えて使用することを推奨している 5.3 Flatness モード Flatness モードは位相特性をリニアにするだけでなく振幅特性も帯域内でフラットに調整する通常のオシロスコープ用アナログアンプからは最も乖離した特性といえるが UWB などの周波数ドメインでの測定においては理想的な特性となり威力を発揮する信号波形では Eye Diagram モードと比較して若干大きめのオーバーシュートとプリシュートが生じ立ち上がり時間が最速となる SDA8Zi シリーズではこの Flatness モードの特徴を生かして FFT 解析機能が強化されている最大で 64Mpts もの周波数分解能を実現しており後述の圧倒的スループットにより実用的なレスポンスを提供している点も大きな特徴といえる 6 圧倒的なレスポンス & スループット SDA8Zi シリーズは高速シリアルデータ測定に最適な帯域とシミュレーション機能を備えているが従来のオシロスコープではこれらのシミュレー

ション処理に長い時間を要したり使用できるメモリ長が短いなどの制約があるケースが多く単に処理が可能というだけで実用レベルに達していないものも見受けられたこの SDA8Zi シリーズはインテル Core 2 Quad の採用 OS の 64bit 化マルチコアを余すことなく使い切る独自のアーキテクチャ CPU キャッシュの使用効率を最大化するデータ処理アーキテクチャの開発により

6 ション処理に長い時間を要したり使用できるメモリ長が短いなどの制約があるケースが多く単に処理が可能というだけで実用レベルに達していないものも見受けられたこの SDA8Zi シリーズはインテル Core 2 Quad の採用 OS の 64bit 化マルチコアを余すことなく使い切る独自のアーキテクチャ CPU キャッシュの使用効率を最大化するデータ処理アーキテクチャの開発により高い処理速度と高速レスポンスを実現している図 10 に処理速度のベンチマークを示す図 10 おり SDA8Zi シリーズは同等他社製品比における各ベンチマークで 2~ 50 倍もの処理スピードを達成しロングメモリ時にその比が顕著に現れている参考文献 [1] Martin Miller, James Mueller, Michael Schnecker,, Signal Integrity Measurement Methods and Practices Designcon2009,2009 [2] Bryan Casper, Peter Pupalaikis, Jared Zerbe, Serial Data Equalization Designcon2007,2007 [3] Peter J Pupalaikis, LeCroy Digital Bandwidth Interleaving, 2005 連絡先連絡先氏名鳥越大所属機関レクロイジャパン株式会社所在地東京都杉並区久我山電話番号 (03) FAX 番号 (03) hiro.torigoe@lecroy.com 図 10 ベンチマーク 7 まとめ SDA8Zi シリーズは 10Gbps 超の高速シリアルデータの評価デバッグを目的とした最高 30GHz のリアルタイムオシロスコープで高い信号品質と用途に応じて切り替え可能な振幅位相特性各種シミュレーション機能とそれらを支える高速処理エンジンを搭載したオシロスコープであると共に周波数アップグレードパスの設定により高い投資効果を得られるオシロスコープである本稿では触れていないが MATLAB および Simulink との連携機能や最大 2001 タップのデジタルフィルタシミュレーション機能高度 DDj 解析機能をサポートしておりこれらのシミュレーション機能と DDj 解析機能を組合わせることで高速シリアルデータの開発に大きな威力を発揮する

Microsoft PowerPoint - PCIe_Seminar_LeCroyJapan.ppt

Microsoft PowerPoint - PCIe_Seminar_LeCroyJapan.ppt PCI Express の物理層信号品質評価ソリューションレクロイジャパン株式会社プロダクトマーケティング辻嘉樹 http://www.lecroy.com/japan/ 目次 PCI Expressの仕様 PCI Expressの物理層の特徴 PCI Express 測定の諸条件 PCI Expressのコンプライアンス試験補足 1 目次 PCI Expressの仕様 PCI Expressの物理層の特徴