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1 今 日 の 設 計 者 の 常 識 高 速 シリアル インタフェースの 基 礎 知 識 と 測 定 テクトロニクス 社 営 業 技 術 統 括 部 畑 山 仁

2 講 師 紹 介 畑 山 仁 : 日 本 テクトロニクス 株 式 会 社 営 業 技 術 統 括 部 シニ ア テクニカル エクスパート サポート 分 野 : 高 速 デジタル 高 速 シリアル インタフェース ( 特 にPCI Express USB3.0)に 対 し お 客 様 営 業 AEを サポート セミナ 講 師 : 当 社 の 高 速 シリアル インタフェース PCI Express USB3.0セミナをはじめ FPGA 代 理 店 との 協 調 セ ミナなど 主 な 執 筆 編 著 CQ 出 版 社 PCI Express 設 計 の 基 礎 と 応 用 ~プロトコルの 基 本 から 基 板 設 計, 機 能 実 装 まで 2010 年 4 月 マイコミジャーナル 高 速 シリアル インタフェース 測 定 の 必 須 ス キルを 身 に 着 ける : 本 セミナの 補 足 にぜひご 利 用 ください 出 身 : 東 京 都 facebook 2

3 講 師 監 修 執 筆 インタフェース デザイン シリーズ 第 2 弾 :USB3.0 USB 3.0 設 計 のすべて~ 規 格 書 解 説 から 物 理 層 の 仕 組 み 基 板 ソフトウェア 設 計 コンプライアンス テストま で A5 判 512ページ 近 日 販 売 開 始 予 定 乞 うご 期 待 ください 内 容 第 1 章 USBの 概 要 第 2 章 USB 3.0の 物 理 層 と 論 理 層 第 3 章 デバイスとハブの 動 作 第 4 章 コネクタとケーブルの 形 状 と 特 性 第 5 章 リンク 層 の 詳 細 第 6 章 ハードウェア 設 計 第 7 章 プリント 基 板 の 設 計 第 8 章 コンプライアンス テスト: 執 筆 しました 第 9 章 USB ソフトウェアのしくみ 第 10 章 USBホスト コントローラの 制 御 第 11 章 USBデバイス コントローラ 制 御 3

4 高 速 シリアル インタフェースの 台 頭 ( 電 気 ) 既 存 のシリアル バスの 高 速 化 USB FibreChannel Ethernet 従 来 パラレル 伝 送 方 式 だった 装 置 内 部 のバスのシリアル 化 PCI Express SATA SRIO 世 代 を 重 ねるごとに 高 速 化 第 1 世 代 :1.5Gbps~2.5Gbps 第 2 世 代 :3Gbps~5Gbps 第 3 世 代 :6Gbps~8Gbps 10Gbpsを 超 える 規 格 が 急 速 に 立 ち 上 がりを 見 せている Thunderbolt SFP+ さらに25G/28Gbpsも 業 界 の 視 野 へ OIF-CEI-25/28 規 格 団 体 によるテスト 方 法 も 含 めての 標 準 化 モバイル 機 器 フラッシュ ストレージも 物 理 層 の 統 合 が 進 む? Thunderbolt PCI Express MHL 4

5 規 格 アプリケーションによる 分 類 ( 下 線 は 注 目 アプリケーション) 5 PC/サーバ 系 PCI Express 2.5/5/8Gbps 1/2/4/8/16/32 レーン HyperTransport 2.6GHz/5.2GT/s 32ビット InfiniBand 2.5Gbps 1/4/12レーン Thunderbolt Gbps 2レーン 通 信 系 10GbE XFP+ XFI Gbps 10GBASE-KR Gbps 10GBASE-CX Gbps 4レーン XAUI 3.125Gbps 4レーン 40GbE 40GBASE-CR4/KR Gbps 4レーン 100GbE 100GBASE-CR Gbps 10レーン SRIO 1.25/2.5/3.125/5/6.25Gbps 1/2/4レーン CPRI /1.2288/2.4576/3.072Gbps 周 辺 機 器 USB High Speed(USB2.0)は480Mbps USB3.0 SuperSpeed(USB3.0)は5Gbps+USB2.0(デュアル バス) 1394a/b 100/200/400Mbps 800M/1.6Gbps ストレージ 系 Fibre Channel 1.063/2.125/4.25/8.5/14.025Gbps SATA/eSATA/SAS 1.5/3/6Gbps ファシリティ 内 1000BASE-T(GbE) 250MHz5 値 10GBASE-T 2.5Gbps6 値

6 規 格 アプリケーションによる 分 類 ( 続 ) ( 下 線 は 注 目 アプリケーション) 放 送 機 器 (75Ω) SD-SDI 270 Mbps HD-SDI 1.485Gbps Dual-Link 1.485Gbps 2ケーブルで3Gbps 3G-SDI 2.97Gbps ディスプレイ 系 DVI 1.65Gbps 3レーン(データ)+1レーン(クロック) HDMI 3.4Gbps 3レーン(データ)+1レーン(クロック) HDCP DisplayPort 1.62/2.7Gbps 1/2/4レーン HDCP DiiVa 4.5Gbps 3レーン(データ) HDCP 中 国 発 フラット パネル LVDS(FPD-Link Flat Link RSDS mini-lvds) V-by-One HS edp idp モバイル MIPI(D-PHY DigiRF M-PHY) MDDI Mobile Video Interface HDMI (1.4a. Type D) MHL 2.75Gbps 1レーン/USB2.0 フラッシュ デバイス SD UFS 300MB/s? HDCP : High-bandwidth Digital Content Protection 6

7 参 考 : 略 語 QPI Quick Path Interconnect XAUI 10Gbps Attachment Universal Interface SRIO Serial Rapid IO CPRI Common Public Radio Interface USB Universal Serial Bus SATA Serial Advanced Technology Attachment SAS Serial Attached SSCI SD-SDI Standard Definition Serial Digital Interface HD-SDI High Definition Serial Digital Interface DVI Digital Visual Interface HDMI High-Definition Multimedia Interface UDI Unified Display Interface MIPI Mobile Industry Processor Interface MDDI Mobile Display Digital Interface MHL Mobile High-Definition Link HDCP High-bandwidth Digital Content Protection JEDEC 過 去 はJoint Electron Device Engineering Councils 現 在 はJEDEC Solid State Technology Association UFS Universal Flash Storage OIF Optical Internetworking Forum CEI Common Electrical I/O 7

8 弊 社 の 高 速 シリアル インタフェース 測 定 ソリューション 波 形 観 測 + 信 号 品 質 テスト オシロスコープ+コンプライアンス テスト/ 解 析 ソフトウェア+プローブ サンプリング オシロスコープ ジッタ ビット エラー レート(BER) 計 測 オシロスコープ+ジッタ 解 析 ソフトウェア BERT 伝 送 路 解 析 ( 差 動 インピーダンス 差 動 Sパラメ ータ インサーション ロス リターン ロス) 差 動 TDR/サンプリング オシロスコープ レシーバ ストレス テスト 任 意 波 形 ジェネレータ BERTストレス ジェネレータ システム レベル デバッグ ロジック アナライザ プロトコル 解 析 プロトコル アナライザ 8

9 高 速 シリアル インタフェース 物 理 層 の 構 成 要 素 トランスミッタ チャンネル (PCB バックプレーン ケーブル) レシーバ クロック データ リカバリ Tx + + 信 号 伝 送 路 + + Rx D LPF VCO 9

10 一 般 的 なトランスミッタ 回 路 ブロック 例 レシーバ 検 出 スクランブラ データ レート クロック/10 符 号 化 (エンコーダ) Rxループバック パス リファレンス クロック シリアライザ PLL データ レート クロック ドライバ スクランブラ: 線 形 フィードバック シフト レジスタで 生 成 された 乱 数 を 使 ってのデータ 攪 拌 による EMIを 低 減 とデータ 遷 移 密 度 の 向 上 符 号 化 データ 遷 移 密 度 向 上 (クロック リカバリを 容 易 化 )+ 周 波 数 広 がりの 抑 制 (シンボル 間 干 渉 低 減 ) リンク コントロール フレーミング DCバランスの 保 持 8B/10B 64B/66B 64B/67B 128B/130Bバランス EMIを 低 減 すべくデータ 遷 移 密 度 の 抑 制 TMDS(Transition Minimized Differential Signaling) シリアライザ 送 信 側 ではクロック タイミングでデータをシリアル 化 (クロック 埋 め 込 み) ディスプレイ 系 では 周 波 数 分 割 したクロックを 並 走 するインタフェースも 多 く 見 られる 例 :FP-Link DVI HDMI 10

11 一 般 的 なレシーバ 回 路 ブロック 例 K28.5 検 出 10ビット リカバード シンボル クロック レシーバ ステータス 4 デシリアライザ エラスティック バッファ 復 号 (デコーダ) デスクランブラ リカバード ビット クロック クロック リカバリ Rxポラリティ 1バッファ オーバフロー/アンダフロー 2SKP 挿 入 /リムーブ 3デコード エラー 4ディスパリティ エラー リファレンス クロック クロック データ リカバリ(Clock Data Recovery) シリアル データからPLL 等 でクロックをリカバリ さらにリカバリされたクロックでデータをリカバリ エラスティック バッファ: 送 信 側 と 受 信 側 の 周 波 数 のずれ( 偏 差 )を 特 定 コードの 挿 抜 により 吸 収 デスクランブラ: 攪 拌 されたデータを 元 のデータに 変 換 11

12 クロック データ リカバリ(CDR) シリアル データ リファレンス クロック PLL 位 相 選 択 位 相 インタポーレ ータ D リカバリ クロック リカバリ データ クロック タイミングでデータを 送 信 し 受 信 側 でPLL 等 でクロックをリカバリし リカバリされたク ロックでデータをリカバリするシリアル インタフェースはジッタの 影 響 を 大 きく 受 ける ジッタの 影 響 はクロック データ リカバリ 回 路 のPLL 特 性 に 依 存 過 渡 領 域 でのジッタの 吸 収 度 合 いは ジッタ 周 波 数 と 振 幅 に 依 存 シリアル データ ジッタ 伝 達 関 数 :どこまでジッタを 通 すか 過 渡 特 性 1 次 PLL 20dB/dec 2 次 PLL 40dB/dec ピーキングがあると 逆 にジッタが 増 加 シリアル データ リカバリ クロック ゲイン(dB) カットオフ 周 波 数 以 下 のジッタ 成 分 は 吸 収 : ジッタに 追 従 周 波 数 帯 域 (f) リファレンス クロックのジッタの 影 響 も 受 ける 送 信 側 にもPLLを 使 用 している 場 合 も 同 様 リカバリ クロック カットオフ 周 波 数 以 上 のジッタ 成 分 は 吸 収 されない:ジッタに 追 従 できない 12

13 SSC(Spread Spectrum Clocking) スペクトラム 拡 散 クロック EMI 低 減 のために クロック 信 号 を 変 調 す なわちジッタを 与 えることで 周 波 数 分 布 を 拡 散 し(Spread) EMIの 特 定 周 波 数 へのエ ネルギーの 集 中 を 下 げる PCやディスプレイ 薄 型 テレビ プリンタなど で 使 用 三 角 波 あるいはLexmark( Hershey Kiss )プロファイル 三 角 波 はサイド ローブが 持 ち 上 がる Lexmarkは 平 坦 で 理 想 的 ただしLexmark 社 特 許 のため ライセンスが 必 要 USB3.0 PCI Expressの 場 合 リファレンス クロック : 100MHz±300ppm 周 期 30~33kHzで 0~-0.5%までのダウン スプレッド リファレンス クロック USB3.0 SATA: 送 信 と 受 信 で 独 立 PCI Express: 送 信 と 受 信 で 共 通 タイム ドメイン 周 波 数 ドメイン 三 角 波 プロファイル Hershey Kiss プロファイル 13

14 リファレンス クロック スキーム 送 信 側 と 受 信 側 に 別 々のリファレンス クロック ソース:USB3.0 SATA 多 少 の 周 波 数 差 は 許 容 (Plesiochronous) シリアライザ PLL 伝 送 路 CDR PLL リファレンス クロック ソース#1 リファレンス クロック ソース#2 送 信 側 と 受 信 側 で 共 通 のリファレンス クロック ソースを 使 用 :PCI Express 周 波 数 は 同 期 位 相 関 係 は 不 定 (Mesochronous) シリアライザ PLL 伝 送 路 CDR PLL リファレンス クロック ソース 14

15 エラスティック バッファ 送 信 側 で 送 信 データに 影 響 のないようなダミー キャラクタ( 連 続 した 数 キャラクタ)を 一 定 間 隔 で 挿 入 USB3.0では-300PPM~+5300PPMの 範 囲 で354シンボルごと PCI Expressでは-300PPM~+300PPMの 範 囲 で1180~1538シンボルごと ダミー キャラクタ:SKPやALIGNと 呼 ばれるコントロール キャラクタを 使 用 受 信 側 で 再 生 されたデータに 対 して 送 信 側 のデータ レートが 速 い 場 合 には ダミー キャラ クタを 抜 き 逆 に 送 信 側 が 遅 い 場 合 には ダミー キャラクタを 挿 入 することで 速 度 差 ( 周 波 数 偏 差 )を 吸 収 SKP:K28.0(PCI Express) K28.1(USB3.0) SKIPオーダード セット:COM/SKP/SKP/SKP(PCI Express) SKP/SKP(USB3.0) バッファ オーバーフローをトランスミッタに 戻 すカラクリを 持 たない 場 合 (カスタム 仕 様 )では データ を 落 とす 可 能 性 があるので 注 意 が 必 要 例 :USB3.0のエラスティック バッファ SKP SKP SKP SKP a). 送 信 側 のデータ レートが 速 い 場 合 SKP SKP SKP SKP SKP SKP SKP SKP SKP SKP 15 b). 送 信 側 のデータ レートが 遅 い 場 合

16 チャンネル 有 損 失 伝 送 路 ( 抵 抗 損 + 誘 電 損 )での 信 号 伝 送 1 0 が 明 瞭 な 送 信 端 での 開 いたアイ ダイアグ ラム インターコネクトを 通 過 した 結 果 1 0 の 判 定 が 困 難 な 閉 じた アイ ダイアグ ラム 基 板 /バックプレーン Tx + + 信 号 伝 送 路 + + Rx 立 上 りの 速 い シャープな 信 号 エッジ 立 上 り 時 間 が 遅 く なまった 信 号 エッジ 16 高 速 シリアル インタフェースの 信 号 は 基 板 バックプレーン ケーブルの 伝 送 で 高 周 波 が 損 失 する

17 参 考 :ボードの 損 失 : 周 波 数 に 依 存 した 減 衰 特 性 ε r 100 = 抵 抗 損 減 衰 (db/m) W =100μm 200μm 400μm 0.01 tanδ= 誘 電 損 周 波 数 (GHz) 17 Yuzo Usui

18 伝 送 路 の 損 失 の 影 響 を 受 けた 波 形 (シンボル 間 干 渉 ) 5GbpsPRBS7 テクトロニクスBSA12500ISI 型 ISIテスト 基 板 トレース 長 (91cm) 上 : 基 板 への 入 力 信 号 1 同 じ 論 理 が 続 くと 信 号 レベルは 最 大 に 到 達 2 同 じ 論 理 が 続 いた 直 後 の 変 化 は 信 号 振 幅 が 低 下 3 同 じパターンでも 前 の 論 理 の 影 響 が 残 る 中 : 基 板 を 通 過 した 信 号 下 : 基 板 を 通 過 した 信 号 の アイ ダイアグラム 18

19 伝 送 線 路 長 による 差 異 (2.5GbpsPRBS7 BSA12500ISI 型 ISIテスト 基 板 ) 30cm 60cm 100cm 140cm 180cm 240cm 19

20 データ レートによる 差 異 (トレース 長 1m PRBS7) 2.5Gbps 5Gbps 8Gbps 10Gbps BSA12500ISI 型 汎 用 ISI 基 板 ISI 挿 入 のための 基 板 差 動 線 路 間 で 揃 った 特 性 様 々な 規 格 にトレース 長 の 組 合 せで 対 応 6cm(2.42インチ) 43.2cm(17インチ) 12.7cm(5インチ) 61cm(24インチ) cm(6.75インチ) 78.74(31インチ) 22.86cm(9インチ) 101.6cm(40インチ) 30.48cm(12インチ) 20

21 ディエンファシス(プリエンファシス) 伝 送 路 損 失 により 劣 化 する 信 号 品 質 の 改 善 方 法 ( 回 路 面 ) 通 常 の 信 号 プリエンファシスを 適 用 した 信 号 相 対 的 に 遷 移 ビットを 強 調 し 受 信 端 に 到 来 し た 遷 移 ビットと 非 遷 移 ビットとのレベル 差 をなく すために 送 信 側 で 施 される 信 号 改 善 方 法 遷 移 ビットの 振 幅 を 上 げる:プリエンファシス 非 遷 移 ビットの 振 幅 を 下 げる:ディエンファシス 2ビットを 超 えたビット パターンにより 強 度 を 細 かく 制 御 する 方 法 も PCI Express Rev.3.0では 遷 移 ビット 直 前 のビッ ト 振 幅 も 制 御 (プリシュート) 規 格 でのディエンファシス 例 PCI Express 2.5Gbps: 3.5dB±0.5dB (2/3にレベルを 下 げ る) 5Gbps: 3.5dB±0.5dB 6dB±0.5dB (1/2にレベルを 下 げる) USB3.0 5Gbps: 3.5dB±0.5dB 理 想 的 には 伝 送 路 で 受 ける 損 失 分 を 予 め 補 正 通 常 の 信 号 ディエンファシスを 適 用 した 信 号 通 常 の 信 号 ディエンファシス プリシュートを 適 用 した 信 号

22 ディエンファシスを 適 用 し 改 善 を 図 った 例 5GbpsPRBS7 テクトロニクス BSA12500ISI 型 ISIテスト 基 板 トレース 長 (91cm) 3.5dB(-1/3) 上 : 基 板 への 入 力 信 号 中 : 基 板 を 通 過 した 信 号 下 : 基 板 を 通 過 した 信 号 の アイ ダイアグラム 22

23 レシーバから 見 たシグナル インテグリティ 23 レシーバは 受 信 信 号 からクロックを 正 しくリカバリし 正 しく 論 理 値 を 判 定 してデータをリカバリできることが 重 要 ラッチ 点 にて 所 望 の 信 号 レベルが 確 保 されているかどうか? ラッチ 点 から 信 号 のエッジ 位 置 までの 時 間 が 確 保 されているかどうか? 阻 害 要 因 ( 信 号 劣 化 ) 振 幅 方 向 に 関 するもの 信 号 レベルの 低 下 信 号 のなまり レベルの 変 動 ノイズ 時 間 軸 方 向 に 関 するもの デューティ サイクル UIの 変 動 ジッタ その 主 な 評 価 方 法 トランスミッタ:オシロスコープを 使 って のアイ ダイアグラムとジッタの 評 価 レシーバ:ジッタを 持 った 信 号 を 入 力 し 正 しく 受 けられることを 確 認 PLL 位 相 選 択 位 相 インタポーレ ータ 高 さ リカバリ データ リカバリ クロック 幅 信 号 レベル ジッタがポイント D

24 トランスミッタ/ソース テスト 規 格 に 適 合 した 信 号 を 送 信 できているか? アイ ダイアグラム アイ 高 さ アイ 幅 マスク ヒット ジッタ 規 格 で 定 められた 点 で 測 定 する 必 要 がある 例 :IEEE802.3 TP1 TP2 TP3 TP4 オシロスコープとテスト フィクスチャ(ケーブル) ジッタ /アイ ダイアグラム 解 析 ソフトウェア あるいは 個 々の コンプライアンス 測 定 ソフトウェアを 使 用 DUTと 計 測 器 とを 直 接 接 続 プローブは マルチギガ ビ ット レートではデバッグ トラブルシュート 以 外 ほとんど 使 用 しない 最 近 ではイコライザ チャンネル 特 性 の 加 算 (エンベッ ド:Embed)が 必 須 に PHY USB3_Rx USB3_Tx Tx 近 端 アイ ダイアグラム ジッタを 評 価 トランスミッタ 内 部 で 生 成 された テスト 用 信 号 高 さ 幅 縁 端 オシロスコープ 24 被 測 定 システム テスト フィクスチャ

25 レシーバ/シンク テスト 既 知 のストレス( 例 :ジッタ)を 持 った 信 号 をレシーバ に 入 力 し 正 しく 受 信 できるかどうか? チップ 内 蔵 外 部 のエラー ディテクタにより 受 信 した データを 確 認 リタイムド ループバック モードを 使 用 ( 受 信 して 再 生 した データを 出 力 ) 最 近 の 標 準 規 格 のコンプライアンス テストでジッタ 耐 性 テストを 採 用 SATA HDMI DisplayPort USB3.0 PCI Express (Rev.3.0より) CIC:Compliance Interconnect Channel PHY Tx ジッタ 振 幅 信 号 ジェネレータで ジッタを 印 加 した 信 号 を 生 成 CIC リファレンス チャンネル ケーブル エミュレータ ( 疑 似 チャンネル) パスする 領 域 Rx ジッタ 周 波 数 エラーとなる 領 域 信 号 ジェネレータ/ BERT エラー ディテクタ (オシロスコープ BERT) 被 測 定 システム テスト フィクスチャ 再 送 信 された ループバック データ

26 トランスミッタ 測 定 検 討 事 項 被 測 定 機 器 ( 設 計 時 検 討 事 項 ) テスト モード:テスト パターンの 発 生 方 法 計 測 器 オシロスコープ: 周 波 数 帯 域 コンプライアンス テスト ソフトウェア テスト フィクスチャ プローブ/ケーブル プローブ:Ethernet(10BASE-T/100BASE-TX/1000BASE-T) USB2.0 ケーブル:PCI Express SATA USB3.0 ジェネレータ( 規 格 必 要 に 応 じて) 26

27 規 格 で 指 定 されたテスト パターンを 使 用 パターン 異 なるとデータの 持 つ 周 波 数 帯 域 の 広 がりなどが 変 わり 測 定 結 果 が 異 なることになるので 注 意 PRBS(Pseudo Random Bit Sequence):PRBS7 PRBS23 PRBS31 CJTPAT(Compliant Jitter Tolerance Pattern) CRPAT (Compliant Random Pattern) 複 数 のパターンを 測 定 項 目 ごとに 使 い 分 ける PCI Expressは1 種 類 のパターンのみ 使 用 パターンの 指 定 がない HDMIなど パターンの 発 生 は 規 格 チップに 依 存 計 測 器 の 接 続 で 自 動 的 にパターンを 出 力 レシーバ 検 出 後 リンク アップ 中 に 相 手 のレシーバから 応 答 がない 場 合 計 測 器 が 接 続 され たと 認 識 し コンプライアンス モードに 移 行 し 自 動 的 にパターンを 出 力 レジスタをプログラムで 設 定 場 合 によってはパターンを 書 き 込 む 必 要 も 外 部 からレシーバにパターンを 入 力 し ループバック モードでトランスミッタから 出 力 設 計 時 に 確 認 網 羅 しておくこと 27

28 実 デバイスでの 規 定 測 定 の 問 題 点 マルチギガ ビット 超 のシリアル インタフェースでは 高 周 波 に 対 するインピーダンスが 低 下 伝 送 路 との 不 整 合 をリターン ロスで 仕 様 その 結 果 規 格 は 理 想 終 端 での 仕 様 のため 信 号 振 幅 が 低 下 伝 送 路 の 途 中 でみた 場 合 入 射 波 に 対 して 反 射 波 が 重 畳 入 射 波 ZL Z ideal Lstray ZL 反 射 波 Zo Cin 仕 様 は50Ω 終 端 として 規 定 ゆえにコンプライアンス テストでは 実 デバイスではなく 理 想 終 端 で 測 定 オシロスコープの50Ω 入 力 で 終 端 テスト フィクスチャを 併 用 デバッグや 参 考 測 定 ではプローブを 使 用 Ch1 Ch3 コネクタ SMA コネクタ 50Ω 終 端 市 販 テスト フィクスチャ 例 (SATA DisplayPort PCI Exprsss) SerDes ECB Tx テスト フィスクチャ 50ΩSMA ケーブル 28

29 測 定 上 の 注 意 点 DCバイアスが 印 加 されている 場 合 直 接 終 端 すると 大 きなDC 負 荷 となる バイアスTeeやDCブロックを 併 用 低 周 波 特 性 等 が 問 題 DC 電 源 が 必 要 理 想 的 なソリューション P7300SMAシリーズ 差 動 プローブ 特 にマルチレーンに DSA/DPO70000DシリーズDC 終 端 電 圧 機 能 主 な 差 動 伝 送 用 ロジックの 信 号 レベル ( 引 用 : 米 National Semiconductor Corp.) バイアス 電 源 バイアス ケーブル Ch1 Ch3 バイアスT トランシーバ 29 チャンネル バイアスT

30 テスト フィクスチャ 例 CEM : PCI-SIG ExpressCard : PCMCIA SATA:Crescent Heart Systems 社 USB3.0 : Tektronix External Cable : Molex 社 30

31 テスト フィクスチャ 例 HDMI 10BASE-T/10BASE-TX/100BASE-TX USB2.0 DisplayPort 31

32 必 要 なオシロスコープの 周 波 数 帯 域 ( 方 形 波 ) 1. 規 格 認 証 試 験 書 (CTS)による 推 奨 2. 5 次 高 調 波 までの 捕 捉 が 目 安 方 形 波 の 基 本 波 周 波 数 ( 最 高 )=ビット レート(NRZ)/2 例 PCI Express Rev.1.1 : 2.5Gbps 1.25GHz HDMI1.4c:3.4Gbps 1.7GHz Serial ATA2 :3.0Gbps 1.5GHz USB3.0 : 5Gbps 2.5GHz 周 波 数 領 域 で 見 ると 方 形 波 は 基 本 波 と 奇 数 高 調 波 により 構 成 5 次 高 調 波 までを 捕 捉 5 次 以 上 は 減 衰 800ps (1.25GHz) ps (2.5GHz) 1 st 3 rd 5 th 3. 10Gbps 以 上 システム:3~4 次 が 目 安 SFP+ Thunderbolt: Gbps 15GHz SERDES 評 価 :より 正 確 な 測 定 のために5 次 を 推 奨 2 nd 4 th 6 th 4. 立 上 り 時 間 ニー 周 波 数 (fknee)* =0.5/Tr オシロスコープの 立 上 り 時 間 が2 倍 速 いこと * 高 調 波 成 分 が 急 速 に 減 衰 する 点 引 用 :Howard Johnson and Martin Graham, High-Speed Digital Design: A Handbook of Black Magic, p.2. Prentice Hall,

33 規 格 と 必 要 な 周 波 数 帯 域 シリアル バス 基 本 波 第 3 高 調 波 第 5 高 調 波 データ レート 周 波 数 周 波 数 周 波 数 1.5 Gbps (SATA 1) 750 MHz 2.25 GHz 3.75 GHz 2.5 Gbps (PCI Express Rev.1.x) 1.25 GHz 3.75 GHz 6.25 GHz 3 Gbps (SATA 2) 1.5 GHz 4.5 GHz 10 GHz Gbps (XAUI) 1.56 GHz 4.69 GHz 7.81 GHz 3.4 Gbps (HDMI1.4c) 1.7GHz 5.1 GHz 8 GHz 4.25 Gbps (Fibre Channel) GHz GHz GHz 4.8 Gbps (FB-DIMM) 2.4 GHz 7.2 GHz 12.0 GHz 5.0 Gbps (USB3.0, PCI Express Rev.2.0) 2.5 GHz 7.5 GHz 12.5 GHz 6.0 Gbps (SATA 3) 3.0 GHz 9.0 GHz 13 GHz 6.25 Gbps (Double XAUI) GHz GHz GHz 6.4 Gbps 3.2 GHz 9.6 GHz 16 GHz 8.0 Gbps (PCI Express Rev.3.0) 4 GHZ 12 GHz 12 GHz Gbps (SFP+) 5.0 GHz 15.0 GHz 16 GHz 規 格 書 等 で 指 定 33

34 少 し 前 の 高 速 シリアル インタフェース 測 定 例 PCI Express Rev.1.1(2.5Gbps) アイ 高 さ( 遷 移 ビットの 最 小 信 号 レベル) マスク ヒット アイ 高 さ( 非 遷 移 ビット/ディエンファ シス ビットの 最 小 信 号 レベル) マ スク ヒット 2.5Gbps: アイ 2.5Gbps: Median-to-Max ジッタ(ピーク ジッタ) 34

35 アイ ダイアグラム シリアル インタフェース 評 価 の 中 核 信 号 の 遷 移 非 遷 移 を 重 ね 書 き 分 布 状 況 を 色 表 現 する 方 法 も 伝 送 特 性 を 総 合 的 に 表 現 信 号 レベル 立 上 り 時 間 立 下 り 時 間 波 形 ひずみ ノイズ デューティ サイクル UI ジッタ ジッタ レベルの 低 下 信 号 の 鈍 り ノイズ アイの 開 き 方 が 受 信 特 性 に 反 映 開 いていればノイズ ジッタに 対 する 耐 性 が 増 加 トップ ベース 部 分 が 太 くなったり 遷 移 部 分 が 広 くなると 受 信 特 性 が 悪 化 高 さ 幅 その 基 準 は? データ? リファレンス クロック? アイの 開 き 方 はBER(Bit Error Rate)と 相 関 がある リカバリされたクロックが 基 準 UI:Unit Interval 35

36 クロック リカバリの 特 性 ジッタ 成 分 によっては クロック リカバリの 特 性 によりジッタの 影 響 具 合 が 異 なる 測 定 も 同 様 アイ 幅 ジッタ 測 定 結 果 が 異 なる 例 1.5Gbpsの 信 号 ジッタ 周 波 数 成 分 : 1MHz ジッタ 振 幅 : 0.4UI ループ 帯 域 幅 1.8MHz ループ 帯 域 幅 6MHz そのため 標 準 規 格 では 測 定 の 際 のクロック リカバリの 特 性 を 指 定 規 格 に 合 わせて 特 性 を 変 える 必 要 がある 例 PCI Express : 1.5MHz 1 次 PLL(2.5Gbps) 1.5MHz ブリックウォール(5Gbps) Serial ATA2 : 2 次 PLL(0.9MHz(1.5Gbps) 1.8MHz(3Gbps) ダンピング ファクタ0.707~1 USB3.0: 2 次 PLL10MHz (5Gbps) ダンピング ファクタ0.707 一 般 的 にはデータ 転 送 レートの1/1667(Golden PLL) SONETはデータ 転 送 レートの1/2500 ソフトウェアにより 実 現 されたクロック リカバリ 36

37 アイ ダイアグラム 測 定 の 今 日 の 主 流 は ポスト プロセス ソフトウェア(ソフトウェア クロック リカバリ) サブフレーム1 サブフレーム3 サブフレーム5 ソフトウェアでリカバ リしたクロック 位 置 サブフレーム2 サブフレーム4 サブフレーム6 トリガ 波 形 メモリに 実 時 間 サンプリング(RT) 単 発 で 取 り 込 んだ 信 号 から 取 り 出 され たサブフレームを 重 ね 合 わせることで アイ ダイアグラムを 表 示 サブフレー ムは1ビット 長 より 長 めに 取 り 出 される ため オーバラップされる 連 続 サイクルでの 描 画 が 可 能 遷 移 ビット 非 遷 移 ビットに 分 離 しての 描 画 が 可 能 任 意 のクロック リカバリ モデルを 選 択 可 能 PLLのみならず 全 クロック 成 分 を 観 測 可 能 規 格 ごとのPLL 要 求 仕 様 例 PCI Express (Rev.1.0a) 3 次 PLL(1.5MHz) 相 当 PCI Express (Rev.1.1) 1 次 PLL(1.5MHz) PCI Express (Rev.2.0) ブリックウォール(1.5MHz) Serial ATA2 2 次 PLL(0.9MHz/1.8MHz 0.707~1.0) USB3.0 2 次 PLL(10MHz 0.707) 37 テクトロニクス イノベーション フォーラム

38 マスク テスト アイ ダイアグラムが 規 定 範 囲 内 にあるかの 確 認 のために ノイズおよびジッタ パル ス 特 性 の 許 容 範 囲 を 規 定 したマスクを 併 用 各 規 格 ごと 指 定 測 定 箇 所 ごとに 規 定 されているマスクを 使 う 測 定 箇 所 により 信 号 振 幅 ジッタ 特 性 が 変 わる 38 送 信 端 ( 左 )と 受 信 端 ( 右 )のアイ マスク(PCI Express Base Specification Rev.1.1) マスク 違 反 例

39 コンプライアンス テスト/ ジッタ&アイ ダイアグラム 解 析 ソフトウェア 39 専 用 コンプライアンス ソフトウェア DVI : TDSDVI HDMI : TDSHT3 USB2.0 : TDSUSB2 Ethernet (10/100/1000BaseT) : TDSET3 IEEE1394.a : 3 rd Party(QP 社 ) USB3.0 PCI Express : SIGTEST(USB-IF PCI-SIG) DPOJET( 汎 用 + 特 定 用 途 ) PCI Express(Opt.PCE/PCE3) USB3.0(Opt.USB3) InfiniBand SATA/SAS FC FB-DIMM XAUI 10GBASE-CX4 SRIO OBSAI DisplayPort(Opt.DPO-DSPT) LVDS/miniLVDS V-by-one HS Advanced- PPmL DDR/2/3 LPDDR/2 GDDR3/5(Opt.DDRA) MIPI D-PHY(Opt. D-PHY) SFP+

40 DPOJETジッタ&アイ ダイアグラム 解 析 ソフトウェア 周 波 数 / 周 期 振 幅 タイミングおよびジッタと アイ ダイアグラム 測 定 シリアルのみならずパラレル インタフェー スも 同 時 に99 測 定 まで: 効 率 的! 別 々の 信 号 に 対 する 測 定 も 可 能 異 なったクロック リカバリでの 評 価 異 なったイコライザでの 評 価 マルチレーンでは 個 々のレーンに 対 し 独 立 し たクロック リカバリを 使 用 可 能 Rj/Dj 測 定 特 定 BERでのアイ 開 口 幅 とトータ ル ジッタ 予 測 SSC 汎 用 測 定 様 々なデータ 解 析 を 可 能 にする 複 数 のプロット を 表 示 可 能 アイ ダイアグラム ヒストグラム スペクトラ ム バス タブ サイクル トレンド 外 部 クロック 逓 倍 を 含 む 様 々なクロック リカバ リ モデル PCI Express Gen2(システム) LVDSパネ ル インタフェース DDR2/3に 不 可 欠 汎 用 + 特 定 用 途 (DDR PCI Express/3 USB3.0 SFP+ MIPIなど) バージョン3.5より レポート 生 成 機 能 MHTML 形 式 (MIME Encapsulation of aggregate HTML)* DSA70000C/Dシリーズ 標 準 *HTML ファイルや 画 像 データを 単 一 のアーカイブにまとめて 保 存 できる 形 式 40

41 DPOJET: 測 定 項 目 標 準 測 定 項 目 (オプションで 規 格 測 定 を 追 加 可 能 ) 項 目 グループ 項 目 周 期 / 周 波 数 周 波 数 周 期 N 周 期 サイクル ツー サイクル 周 期 正 のパルス 幅 負 のパルス 幅 正 のデューティ サイクル 負 のデューティ サイクル 正 のサイクル ツー サイクル デューティ 比 負 のサイクル ツー サイクル デューティ 比 タイミング 立 上 り 時 間 立 下 り 時 間 ハイ 時 間 ロー 時 間 セットアップ ホールド スキュー SSCプロファイル SSC 変 調 レート SSC 偏 差 SSC 最 小 周 波 数 偏 差 SSC 最 大 周 波 数 偏 差 振 幅 ハイ ロー ハイ トゥ ロー コモン モード ディエンファシス 量 差 動 Qファクタ アイ ジッタ アイ 高 さ アイ 幅 高 さ@BER マスク ヒット TIE(タイム インターバル エラー) RJ DJ TJ@BER PJ DCD DDJ RJ(σ-σ) DJ(σ-σ) 位 相 ノイズ バージョン3.5より 41

42 DPOJET: 様 々なクロック リカバリ モデルを 選 択 可 能 PLL 規 格 レシーバCDRと 同 等 な 特 性 での 評 価 ループBW: 規 格 (ビット レートの fc/1667) またはユーザBW 1 次 PLL 2 次 PLL+ダンピング ファクタ 平 均 値 (Mean) 全 ジッタ 周 波 数 成 分 を 捕 捉 中 央 値 (Median) 固 定 値 外 部 クロック クロック 並 走 のインタフェース:LVDS PCI Express DDR 単 純 逓 倍 PLL 逓 倍 その 他 フィルタ 併 用 によりさらに 高 次 の 特 性 も 実 現 可 能 PLLモデル PLL ループ 帯 域 ダンピング ファクタ 42

43 ハードウェア ベースのクロック リカバリ デバッグ トラブルシュートに 効 果 的 BERTでは 必 須 DSA70000C/Dシリ-ズ 標 準 装 備 MSO70000Cシリーズ オプション 1.5MHz~6.25Gbps シリアル パターン トリガ(40ビット 長 )やエラー デ ィテクタをサポート リカバリ データ リカバリ クロック 出 力 を 前 面 に 装 備 (SMA) 外 部 機 器 での 利 用 が 可 能 毎 秒 30 万 波 形 のFastAcqと 組 合 わせて 間 欠 的 な 障 害 の 捕 捉 に 威 力 を 発 揮 CRシリーズ 汎 用 クロック リカバリ ユニット スタンドアローン オシロスコープ サンプリング オシロスコープ BERTと 組 合 せ 可 能 28.6Gbps 17.5Gbps 12.5Gbpsの3 機 種 PLL 帯 域 100kHz~12MHzに 可 変 オプションで24MHzまで 拡 張 1 次 2 次 PLL ピーキングも 可 変 SSCにも 対 応 PLLループ 帯 域 幅 ジッタ 伝 達 関 数 を 自 己 測 定 可 能 コンプライアンス 要 求 条 件 に 合 致 しているかの 確 認 可 能 PCI Express Tx PLLループ 帯 域 幅 テスト 可 能 (オプショ ン) 11.2Gbpsまでのジッタ スペクトラム 解 析 が 単 体 で 可 能 (オプション) 43

44 高 速 シリアル インタフェースで ジッタ 解 析 が 重 要 な 理 由 :その1 - コンプライアンス 相 互 接 続 性 (インターオペラビリティ)の 確 立 を 推 定 する 方 法 が 必 要 相 互 接 続 性 とは 正 確 には 特 定 のビット 誤 り 率 ( BER:Bit Error Rate/Ratio)における 通 信 を 保 証 すること そこで 特 定 のBER におけるトータル ジッタを 定 義 し 判 断 基 準 とする Tj@BER TX トランスミッタとレシーバが 正 しく 動 作 するのか? RX RX Tj@BERが 判 断 基 準 となる TX UI UI 境 界

45 高 速 シリアル インタフェースで ジッタ 解 析 が 必 要 な 理 由 :その2 - トラブルシューティング ジッタ 問 題 を 解 決 するための 診 断 分 析 情 報 ジッタの 発 生 原 因 は? どう 対 処 すればよいのか? TX ジッタの 発 生 原 因 は? 対 処 法 は? RX RX TX 45

46 シリアル インタフェースのジッタ 計 測 はTIE 周 期 ジッタ: 周 期 の 推 移 (0.990/1.010/0.980/1.020) サイクル トゥ サイクル ジッタ: 隣 接 周 期 の 変 動 (0.020/-0.030/0.040) タイム インターバル エラー(TIE) : 期 待 エッジ 位 置 (リカバリされたクロック)とのずれ (-0.010/0.000/-0.020/0.000) 理 想 エッジ 位 置 被 測 定 信 号 0.0ns 1.0ns 2.0ns 3.0ns 4.0ns TIE 1 TIE 2 TIE 3 TIE 4 P 1 P 2 P 3 P 4 C 1 =P 2 -P 1 C 2 =P 3 -P 2 C 3 =P 4 -P ns 1.010ns 0.980ns 1.020ns period 0.020ns ns 0.040ns cy-cy ns 0.000ns ns 0.000ns TIE 46

47 様 々なジッタ ソースが 存 在 :ジッタの 性 質 が 異 なる 電 源 (スイッチング 電 源 ) 熱 雑 音 ショット ノイズ ISI(シンボル 間 干 渉 ) 隣 接 オシレータ 不 均 衡 な 差 動 オフセット 過 度 なディエンファシス/プリエンファシス 熱 雑 音 ショット ノイズ 過 度 なイコライザ Vcc Tx Rx リファレンス クロック クロストーク 高 周 波 損 失 Ref Clk 47

48 2つの 性 質 の 異 なるジッタの 測 定 の 必 要 性 ランダム ジッタ: Rj ジッタの 発 生 確 率 分 布 はガウス 曲 線 (σの 関 数 ) 極 めて 低 い 頻 度 ながら 大 きなゆらぎが 発 生 ±4.75σを 超 えるジッタは1 万 回 (10 6 回 ) ±7σを 超 え るジッタは1 兆 回 (10 12 回 )に1 度 発 生 長 期 間 での 通 信 品 質 に 影 響 ビット エラー レート(BER)を 低 下 させる デターミニスティック ジッタ:Dj 隣 接 オシレータや 伝 送 系 の 高 周 波 損 失 などに 起 因 発 生 確 率 の 広 がりは 有 限 ランダム ジッタのマージ ンを 低 下 - 1σ or RMS 48

49 アイ 幅 ジッタ 量 測 定 には 時 間 的 規 定 が 必 要 ピーク トゥ ピーク ジッタは Rjに より 測 定 時 間 ( 母 数 集 団 数 UI 数 ) の 影 響 を 受 ける Rjのために 時 間 経 過 に 従 い 増 加 する そのため 測 定 時 間 (UI 数 )が 規 定 さ れる 必 要 がある 測 定 時 間 理 想 的 には 規 定 のビッ ト エラー レートで 定 義 シリアル インタフェースは 一 般 的 にBER10-12 インターオペラビリティを 確 保 す るという 意 味 は 正 確 には 特 定 BERでの 通 信 を 保 証 すること そこで 特 定 BERにおけるトータル ジッタTjを 規 定 するのが 最 近 の 傾 向 アイ 1UI- Tj@BER 換 言 すればピーク トゥ ピーク ジ ッタはそのUI 数 でのTj 49

50 アイ 幅 トータル ジッタの 推 定 :バスタブ 曲 線 BERプロットは UI(Unit Interval)に 沿 って 中 央 (0.5UI)から 外 側 (0 0.5UI 0.5 1UI)に 向 かって 各 ポイントのジッタのPDF (Probability Density Function: 確 率 密 度 関 数 )を 累 積 したCDF (Cumulative Distribution Function: 累 積 分 布 関 数 )となる この 曲 線 が 浴 槽 に 似 ていることからバスタブ 曲 線 と 呼 ばれる Djは 全 体 を 狭 め Rjは 傾 斜 に 影 響 ただし ここでのDjは 下 記 関 係 が 成 立 (Q BER ) するデュアル ディラック モデルDj (δ-δ) LBER ( x) = PDF( t) x Tj = 2QBER Rjn + Dj ( δ-δ) n Dj (δ-δ) トータル ジッタ RBER ( x) = x PDF( t UI) Dj 成 分 Rj 成 分 PDF (t) PDF( t UI) 50-0UI t 1UI

51 トータル ジッタの 測 定 BERT トータル ジッタ(Tj)を 直 接 測 定 UI 内 をスキャンし 各 点 でBERを 測 定 し BERプ ロットを 求 める バスタブ 曲 線 での 外 挿 で 測 定 時 間 の 短 縮 膨 大 な 時 間 が 必 要 5Gbps( )では5 時 間 必 要 とも UI 両 端 の 高 BERの 数 点 だけ 測 定 し バスタブ 曲 線 で 外 挿 (Extrapolation) オシロスコープ 短 期 間 (PCI ExpressやUSB3.0では1M-UI)での ジッタ(Rj Dj)を 測 定 し PDFを 求 めることでバスタ ブ 曲 線 (CDF)を 算 出 Rj DjごとのPDFの 総 計 51

52 今 日 の 一 般 的 な 高 速 シリアル インタフェース 測 定 例 PCI Express Rev.2.1(5Gbps) アイ 高 さ( 遷 移 ビットの 最 小 信 号 レベル) マスク ヒット アイ 高 さ( 非 遷 移 ビット/ディエンファ シス ビットの 最 小 信 号 レベル) マ スク ヒット 5Gbps:アイ BER10-12 現 在 のジ ッタ 量 からバスタブ 曲 線 で 長 期 のジッタ 量 トータル を 予 測 し アイ 幅 を 算 出 (1- Tj@BER10-12 ) 5 Gbps:ランダム ジッタ(Rj (δ-δ) ) デターミニステック ジッタ(Dj (δ-δ) ) トータル ジッタ@BER -12 測 定 52

53 SSCはトラブルの 元 インターオペラビリティ 問 題 の 原 因 の 1つに リンク アップしない データの 取 りこぼし データのダブり 原 因 センタ/アッパスプレッドのPC マ ザーボードが 市 販 規 格 はダウンスプレッドを 採 用 突 発 的 に 周 波 数 が 飛 ぶSSCGも 存 在 元 のクロック(fc)を 中 心 に 上 下 に 変 調 周 波 数 センタスプレッド 周 波 数 元 のクロック(fc)に 対 し 周 波 数 が 下 がるように 変 調 元 のクロック(fc)に 対 し 周 波 数 が 上 がる ように 変 調 周 波 数 ダウンスプレッド 時 間 アッパスプレッド 時 間 どちらも 周 波 数 がクロック(fc)より 高 くな るため 回 路 の 時 間 余 裕 度 を 低 下 させる 時 間 53

54 DPOJETによるSSC 測 定 汎 用 PCI Express USB3.0 プロファイル 変 調 レート 偏 移 ( 最 大 最 小 ) 周 期 変 動 のタイム トレンド 表 示 (プロ ファイル) 周 期 の 下 限 (200ps-300PPM= ps) 変 調 周 波 数 周 期 偏 差 の 測 定 規 格 値 との 判 定 結 果 SSCの 違 反 例 54

55 ディエンファシス(プリエンファシス)の 制 約 かえってジッタの 増 加 を 招 くことがあるため 最 適 化 が 必 要 ( 非 標 準 規 格 ) 短 距 離 伝 送 用 にディエンファシスを 使 わないハーフ スイング モード( 低 電 力 モード)も 用 意 している 規 格 もある 高 速 化 に 伴 い 例 :PCI Express USB3.0 遷 移 ビットの 振 幅 を 持 ち 上 げるプリエンファシスは マルチレーンでのクロストーク EMI の 増 加 を 招 く 非 遷 移 ビットの 振 幅 を 下 げるディエンファシスは 受 信 端 での 信 号 振 幅 が 下 がるためレ シーバ 感 度 ノイズ マージン 的 に 不 利 になる レシーバ イコライザの 併 用 55

56 信 号 品 質 改 善 方 法 レシーバ イコライザ 1 0 が 明 瞭 な 送 信 端 での 開 いた アイ ダイアグラム インターコネクトを 通 過 した 結 果 1 0 の 判 定 が 困 難 な 閉 じた アイ ダイアグラム 外 側 から 観 測 できる 波 形 送 信 側 基 板 トレース ケーブル 受 信 側 基 板 トレース イコライザを 適 用 Tx path path path EQUALIZER EQ. Rx Rcv + - Rcv データ レートの 高 速 化 に 伴 い プリ/ディエンファシスに 加 え イコライザを 積 極 活 用 イコライザ 技 術 自 体 は 従 来 からも 利 用 されている 技 術 最 近 の 傾 向 は 高 速 シリアル 規 格 での 標 準 化 や 規 格 適 合 試 験 (コンプライアンス テスト)への 導 入 外 部 で 観 測 している 信 号 波 形 とデバイス 内 部 のイコライザ 適 用 の 波 形 と 異 なる 計 測 機 器 によりイコライザのエミュレーションが 必 須 56 テクトロニクス イノベーション フォーラム

57 参 考 :イコライザの 種 類 CTLE(Continuous-Time Linear Equalizer): ハイパス フィルタ 周 波 数 ドメインで 設 計 アナログ ベース アクティブ あるいはパッシブなイコライゼーション 回 路 規 模 小 低 消 費 電 力 C C1 C=C1 R R1 R=RLEG/N Ohm R R2 R=RLEG/(32 - N) Ohm FFE(Feed Forward Equalizer)/DTLE (Discrete-Time Linear Equalizer): FIRフィルタ タイム ドメインで 設 計 (UIベース あるいは 位 相 をずらした 詳 細 なタイミングにて) チャンネルの 周 波 数 応 答 改 善 をFIR フィルタ (リニア フィルタ)で 実 現 代 表 例 はTx でのプリエンファシス ディエンファシス DFE(Decision Feedback Equalizer) タイム ドメインでフォアード フィルタとデシジョン フィードバック 回 路 で 設 計 フォアード フィルタはFFEと 等 価 アクティブ レシーバ イコライゼーション 他 のイコライザ 方 式 の 問 題 点 であるノイズを 増 幅 することなくシンボル 間 干 渉 をキ ャンセル 回 路 規 模 大 消 費 電 力 が 大 きいが 半 導 体 微 細 加 工 技 術 の 進 歩 で 広 がりつつある 最 近 のFPGAなどの 高 速 トランシーバ 規 格 にも 取 り 入 れられ 始 めている CTLEとDFEを 組 合 せて 使 用 される R R3 R=R3 C C2 C=C2 57

58 レシーバ イコライザ 採 用 例 USB3.0と 想 定 最 長 チャンネル 交 流 結 合 用 コンデンサ レセプタクル (タイプB) USB3.0 チップ ダウン ストリーム USB3.0 チップ アップ ストリーム ホスト (5~30cm) FR4 ケーブル (0~3m) デバイス (2.5~15cm) FR4 + - イ コ ラ イ ザ + ー 58

59 レシーバ イコライザ チャンネル/シミュレートしての 測 定 が 必 須 に 2. ソフトウェア 的 にチャンネル 特 性 のフィルタを 適 用 し TP1の 波 形 を 再 現 オシロスコープ 3. 再 現 されたTP1にイ コライザを 適 用 し チップ 内 部 のCDR が 受 信 する 信 号 を 再 現 し アイとジッタ を 測 定 1. TP2の 波 形 を 捕 捉 USB3_Rx USB3_Tx USB3_Tx TP2 TP1 被 測 定 システム テスト フィクスチャ USB3.0 PCI Express Rev3.0 (8Gbps) DisplayPortのテスト で 採 用 規 格 想 定 の 最 長 チャンネルで テスト USB3.0 チップ チャンネル デバイス:ホスト チャンネル+ケーブル ホスト:デバイス チャンネル+ケーブル R= 50Ω R= 50Ω 59

60 ソリューション:ArbFilter 損 失 補 正 前 損 失 補 正 後 アクイジション 系 へのDSPの 組 込 み フィルタのインパルス 応 答 を 定 義 Sパラメータから 変 換 可 能 ( 要 SDLA) リアルタイムで 適 用 デバッグ トラブルシュートに 最 適 アプリケーション レシーバ イコライザ エミュレーション ディエンベッド ケーブル フィスチャ 影 響 除 去 ( 伝 送 路 損 失 補 正 ) プローブ アクセサリ 特 性 補 正 エンベッド チャンネル 特 性 加 算 60

61 ソリューション:SDLA シリアル データ リンク 解 析 ソフトウェア 高 速 シリアル 信 号 テストのための 波 形 処 理 ツール フィクスチャ ディエンベディッド チャンネル エンベディッド レシーバ イコライゼーション (CTLE FFE DFE) Sパラメータ (TouchStone)をArbFilterに 変 換 可 能 *.S1p *.S2p *.S4p ( 差 動 シングルエンド) 処 理 結 果 をプロットで 確 認 可 能 DPOJETと 連 動 して アイ ジッタなど 自 動 テスト 判 定 可 能 61

62 DFE DFEはリニア フィルタ(ArbFilter)では 実 現 できない ソリューション:SDLA 62

63 FPGAなどでのイコライザ 使 用 上 の 注 意 点 (CTLE) 63 イコライザの 周 波 数 特 性 が 固 定 の 場 合 実 際 に 自 分 が 必 要 と するデータ レートで 効 くとは 限 らない 一 般 的 に 周 波 数 特 性 は 固 定 例 えば3GHz 付 近 にピークがある 場 合 効 果 を 発 揮 するのは 6Gbps 3Gbpsで 使 用 すると 1.5GHz 付 近 の 効 果 は 低 減 例 3GHz:6.7dB 1.5GHz:4.8dB そのため 規 格 に 最 適 化 したイコライザを 用 意 しているメーカもあ る DCゲインを 調 整 しても 高 域 のゲインが 変 わらない 可 能 性 が ある 高 域 の 減 衰 の 補 正 には 効 果 がない ディエンファシス プリシュートで 改 善 できない 伝 送 路 の 周 波 数 特 性 を 高 周 波 に 対 して 低 周 波 をより 減 衰 させることで 補 正 し ISI( シンボル 間 干 渉 )を 改 善 することが 目 的 イコライザ 内 蔵 のリクロッカでイコライザをオフできないタイプ では 減 衰 の 少 ないトランスミッタ 直 近 に 配 置 するとかえって ジッタが 増 加 上 記 はデータ シートに 記 載 がない 場 合 が 多 い ベンダに 確 認 シミュレーション ツールで 確 認 損 失 が 多 いため イコライザが 期 待 したように 動 作 損 失 がないため イコライザがジッタを 増 加

64 レシーバ/シンク テスト 相 互 接 続 性 特 定 のBERでの 通 信 を 保 証 するためには トランスミッタ 評 価 だけでは 不 十 分 でレシーバ 評 価 も 重 要 に 特 に 高 速 化 に 伴 い レシーバ 側 で 受 ける 影 響 に 対 してセンシティブ 受 信 端 での 信 号 振 幅 が 減 少 イコライザの 併 用 で クロストーク ノイズ 等 が 増 強 される 最 近 の 標 準 規 格 のコンプライアンス テストでジッタ 耐 性 テストを 採 用 SATA HDMI DisplayPort USB3.0 PCI Express (Rev.3.0より) CIC:Compliance Interconnect Channel PHY Tx 信 号 ジェネレータで ジッタを 印 加 した CIC 信 号 を 生 成 リファレンス チャンネル ケーブル エミュレータ ( 疑 似 チャンネル) Rx 信 号 ジェネレータ/ BERT エラー ディテクタ (オシロスコープ BERT) 受 信 したデータを 内 部 でループバック 被 測 定 システム テスト フィクスチャ 再 送 信 された ループバック データ

65 レシーバ テスト:ジッタ 耐 性 レシーバのジッタ 耐 性 をテスト 既 知 のジッタ 特 性 ( 周 波 数 振 幅 )を 持 った 信 号 をレシーバに 入 力 し CDRの 特 性 をテ スト ロールオフ 周 波 数 より 低 周 波 :クロック リカ バリ 回 路 のジッタ 吸 収 度 合 い ピーキングの 確 認 ロールオフ 周 波 数 より 高 周 波 :データ リカバ リ 回 路 のセンス アンプの 時 間 方 向 余 裕 度 の 確 認 内 蔵 外 部 のエラー チェッカにより 受 信 し たデータを 確 認 外 部 の 場 合 にはリタイムド ループバック モ ードを 使 用 ( 受 信 したデータを 出 力 ) エラー 検 出 方 法 SATA USB3.0: 外 部 エラー ディテクタ HDMI: 視 覚 で 確 認 (モニタ) DisplayPort: 内 蔵 BERT ゲイン(dB) ジッタ 振 幅 CDRジッタ 伝 達 関 数 :どこまでジッタを 通 すか ジッタ 周 波 数 (f) エラーとなる 領 域 パスする 領 域 ジッタ 周 波 数 65

66 トランスミッタ/レシーバ 間 ループバック パス K28.5 検 出 リカバード シンボル クロック デシリアライザ エラスティック バッファ 8B/10B デコード デスクランブラ リファレンス クロック リカバード ビット クロック クロック リカバリ Rxポラリティ Rxループバック パス レシーバ 検 出 ドライバ シリアライザ 8B/10B エンコーダ スクランブラ 一 般 的 に 高 速 シリアル インタフェース はデュアル シンプレックスのため トラ ンスミッタとレシーバが 対 になっている データ レート クロック PLL データ レート クロック/10 リファレンス クロック 66

67 ループバック モード リンク アップ 時 にリンク コンフィギュレーション フィールドのループバック ビットをセ ットしたTS1/2オーダード セットをレシーバへ 入 力 することでループバック モードへ 移 行 引 用 :Universal Serial Bus Specification 3.0, Rev.1.0, Nov.12,

68 レシーバ テスト:ジッタ マージン ジッタ 周 波 数 振 幅 を 細 かく 変 えて どの 程 度 までならば 正 しくデータを 受 けられるかテスト コンプライアンスではないが 製 品 品 質 保 証 の 観 点 で 社 内 で 評 価 しておく 必 要 がある ジッタ 振 幅 ジッタ 周 波 数 68

69 トランスミッタ 測 定 :まとめ アイ ダイアグラムとジッタの 評 価 が 基 本 アイ ダイアグラムでは 定 量 的 な 測 定 のみならず 許 容 度 の 限 界 を 規 定 した 多 角 形 のマスクを 同 時 に 表 示 した 方 が 評 価 が 簡 単 規 格 で 測 定 点 ごとに 用 意 測 定 点 の 規 格 に 基 づいて 測 定 規 定 の 信 号 (パターン)で 測 定 使 用 するオシロスコープの 周 波 数 帯 域 は 一 般 的 には5 次 高 調 波 までの 捕 捉 が 目 安 規 格 で 規 定 している 場 合 もある 高 速 化 に 伴 い 必 要 とする 高 調 波 次 数 は 下 がる 傾 向 に 実 際 は 立 上 り 時 間 を 考 慮 する 必 要 がある アイ ダイアグラムは リカバリされたクロックを 基 準 に 評 価 する 仕 様 に 基 づくクロック リカバリ モデルを 使 用 する ソフトウェア クロック リカバリの 平 均 クロックでは 全 ジッタ 成 分 を 把 握 可 能 SSCを 使 用 しているシステムではSSCも 評 価 する 今 日 ではレシーバ イコライザやチャンネル エンベッドを 適 用 した 測 定 も 必 要 に 69

70 高 速 シリアル インタフェースのジッタ 測 定 :まとめ 高 速 シリアル インタフェースのジッタとは 実 際 の 信 号 エッジと 期 待 されるエッジ 位 置 (リカバリされたクロック)とのずれであるTIE(Time Interval Error) ジッタには 大 きく 分 けて2 種 類 の 性 質 の 異 なるジッタあり それらが 合 わさってい る( 畳 み 込 み) Rj(Random Jitter): 時 間 経 過 に 従 い 広 がる Dj(Deterministic Jitter): 広 がりは 一 定 で 時 間 経 過 に 依 存 しない 今 日 の 高 速 シリアル インタフェースではRj/Djも 規 定 簡 素 化 されたモデル(Dual-Dirac)による 規 定 で 現 実 のジッタとは 異 なる 今 日 の 高 速 シリアル インタフェースではRjの 性 質 ゆえ 測 定 時 間 を 既 定 UI 数 BER 相 互 接 続 性 特 定 のBERでの 通 信 を 保 証 するためには トランスミッタだけの 測 定 では 不 十 分 で レシーバ ジッタ 耐 性 テストも 必 要 70

71 参 考 :より 高 速 で 求 められる 測 定 クロストークの 影 響 によるジッタの 測 定 BUJ:Bounded Uncorrelated Jitter( 有 界 非 相 関 ジッタ) 周 期 性 ジッタ(Pj) 非 周 期 性 ジッタ(NPj) ノイズによるBERへの 影 響 を 考 慮 BER 等 高 線 (BER Contour) 垂 直 BER 測 定 2D BER 71

72 ジッタが 過 多 な 場 合 の 測 定 方 法 対 策 のヒント Rj DjおよびDjの 各 成 分 を 分 析 し 対 応 法 を 検 討 近 似 モデル(Dual-Dirac)のRj Djではない 点 に 注 意 対 策 例 DDj(ISI)が 過 多 な 場 合 カスタム 仕 様 ではプリエンファシス イコライザを 調 整 する ま たイコライザ リピータを 入 れる アイ ダイアグラムにも 影 響 が 現 れるのでアイ ダイアグラムからでも 予 測 可 能 イコライザが 過 多 に 効 く 場 合 かえってジッタが 大 きくなることもあるので 注 意 減 衰 が 過 多 な 場 合 アイ ダイアグラムが 開 いてもBERが 悪 化 していることがあるので 注 意 Pjが 過 多 な 場 合 スペクトラム プロットでジッタ 周 波 数 を 確 認 し ジッタ ソースを 突 きと める 基 板 トレース レイアウトの 見 直 し フィルタ 等 で 対 策 電 源 の 場 合 スイッチング レギュレータの 見 直 し シリーズ レギュレータへの 変 更 など Vccを 最 短 距 離 でレイアウトしたところ 逆 にリップルが 増 大 した 例 も Rjの 場 合 ヒート シンカなど 冷 却 を 対 策 ステッピング ロットによる 問 題 の 例 も トランスミッタのPLLが 正 しくプログラムされずにチップが 出 荷 されたケースも Rjはルー 72 プ 帯 域 幅 に 依 存 して 増 加

73 ジッタが 過 多 な 場 合 の 測 定 方 法 対 策 のヒント( 続 き) 突 発 的 なジッタはタイム トレンド プロットで 確 認 Vcc 波 形 を 一 緒 に 取 込 み タイム トレンドを 表 示 し 電 源 変 動 とジッタとの 相 関 関 係 を 確 認 可 能 DPOJET(Ver.3.0 以 降 )では 最 大 値 最 小 値 に 対 するサーチをサポート リファレンス クロックのジッタを 確 認 リファレンス クロックがデバイスの 要 求 仕 様 以 外 のジッタ 特 性 のオシレータを 使 用 して いないか 確 認 FPGAでは 世 代 交 代 の 際 にオシレータ 仕 様 が 変 わる 場 合 があり 基 板 トレース レイアウトの 見 直 し フィルタ 等 で 対 策 PCの 場 合 SSCの 周 波 数 変 動 (Max Min)のみならず タイム トレンド プロットも 確 認 突 発 的 な 周 波 数 変 動 が 生 じていないか?(df/dt) 73

74 33GHz 20Gbpsを 超 える 帯 域 ビット レート: サンプリング オシロスコープの 利 用 一 般 のデジタル オシロスコープ A-Dコンバータ 前 にアッテネータ プ リアンプを 配 置 広 い 入 力 電 圧 レンジ 帯 域 の 制 約 広 帯 域 に 従 ってノイズが 増 加 50Ω アッテネータ プリアンプ A/D /1MΩ サンプリング オシロスコープ 入 力 信 号 を 高 速 低 アパーチャ ジッ タ サンプラで 直 接 サンプル 低 ノイズ 低 速 高 分 解 能 のA-Dコンバータを 使 用 可 能 高 確 度 等 価 時 間 サンプリング 入 力 回 路 に 帯 域 制 限 要 因 になるアッ テネータ プリアンプ 保 護 回 路 なし 耐 圧 の 制 約 400V MAX 50Ω 3V Max 高 速 サンプラ A/D D/A (デジタル エラー サンプル フィードバック 方 式 ) 74

75 DSA70000Dシリーズ New! デジタル シリアル アナライザ 最 高 の 波 形 特 性 と 強 力 な 解 析 能 力 型 名 DSA7334D 型 DSA72504D 型 最 高 周 波 数 帯 域 2ch(RT) 4ch(ET アンダー サンプリング) 33GHz 25GHz 4ch(RT) 23GHz 立 上 り 時 間 (20%-80%) 9ps 12ps 最 高 サンプル レート 最 大 レコード 長 垂 直 軸 ノイズ (フルスケールに 対 するp-p) フラットネス ジッタ ノイズ フロア(rms) 0.58% 0.58% ±0.5dB( 最 高 周 波 数 帯 域 の 半 分 までで) 250fs デルタ 時 間 測 定 確 度 (rms) 347fs 330fs 垂 直 軸 感 度 オフセット レンジ 終 端 電 圧 レンジ 6.25mV/div~120mV/div (62.5mV~1.2Vフルスケール +3.4~-3.4V IBM 社 SiGe 8HP BiCMOSプロ セスによる 新 設 計 のフロントエ ンドにより 33GHzで 必 要 とさ れる 垂 直 ノイズとジッタ ノイズ フロアの 低 減 化 を 実 現 終 端 電 圧 機 能 によりバイアス Tee DCブロックを 併 用 すること なく DCバイアス 回 路 を 直 結 可 能 75

76 DSA70000Cシリーズ New! デジタル シリアル アナライザ 最 高 の 波 形 特 性 と 強 力 な 解 析 能 力 型 名 DSA72004C 型 DSA71604C 型 DSA71254C 型 DSA70804C 型 DSA70604C 型 DSA70404C 型 最 高 周 波 数 帯 域 20GHz 16GHz 12.5GHz 8GHz 6GHz 4GHz 最 高 サンプル レート 最 大 レコード 長 垂 直 軸 ノイズ(フルスケール に 対 するp-p) 0.77% 0.43% 0.38% 0.35% 0.32% 0.28% フラットネス ±0.5dB( 最 高 周 波 数 帯 域 の 半 分 までで) ジッタ ノイズ フロア(rms) 290fs 270fs 300fs 340fs デルタ 時 間 測 定 確 度 (rms) 1.43ps 1.15ps 1.23ps 1.24ps 1.33ps 1.48ps DSA70000D/C MSO70000Cシリーズ 共 通 主 な 機 能 ( 標 準 ) サーチ&マーク コミュニケーション マスク テスト ジッタ/アイ ダイアグラム 解 析 6.25Gbpsコ ミュニケーション トリガ シリアル パターン トリガ/プロトコル デコード&サーチ 主 な 機 能 (オプション) フレーム&ビット エラー ディテクタ ビジュアル トリガ I 2 C SPI RS-232/422/485/UART MIPI D-PHY USB2.0デコード&トリガ DDR 解 析 シリアル データ リンク 解 析 パワー 解 析 ベクトル シグナル 解 析 UWB 解 析 周 波 数 帯 域 のアップグレード その 他 毎 秒 30 万 波 形 取 込 みレート DSP 特 性 補 正 DSP 帯 域 拡 張 (DSA72004C 型 ) 周 波 数 帯 域 選 択 機 能 ArbFilter 機 能 76

77 MSO70000Cシリーズ - 業 界 唯 一 高 性 能 ミックスド シグナル オシロスコープ 業 界 唯 一 :MSO 唯 一 のiCapture 1 回 のプローブ 接 続 でアナログとデジタ ルの 信 号 の 取 込 み 任 意 のデジタル チャンネルとアナログ チャンネルをすばやく 切 り 替 え 同 時 に 観 測 可 能 汎 用 1GHzパッシブ プローブと2.5GHz アクティブ 差 動 プローブを 用 意 デジタル チャンネル アナログ チャンネル A 0 C D 0 アナログ Mux icapture 概 念 図 デジタル 2.5 GHz アナログ 全 帯 域 アナログ 型 名 MSO72004C 型 MSO71604C 型 MSO71254C 型 MSO70804C 型 MSO70604C 型 MSO70404C 型 周 波 数 帯 域 20 GHz 16 GHz 12.5 GHz 8 GHz 6 GHz 4 GHz アナログ チャンネル 4 デジタル チャンネル 16 サンプル レート(アナログ) 50GS/s@4チャンネル 100GS/s@2チャンネル 25 GS/s@4チャンネル サンプル レート(デジタル) 12.5 GS/s レコード 長 ( 全 チャンネル) 250 M ポイント 125 M ポイント バス トリガ/デコード(オプション) icapture ロジック クオリファイ トリガ パラレル 8B/10B I 2 C SPI RS-232/422/485/UART MIPI D-PHY USB2.0デコード&トリガ DSAパッケージ オプション DSAU DSAH 77

78 DSA8300 型 New! デジタル シリアル アナライザ 最 高 70GHz+ 周 波 数 帯 域 最 高 65GHz 光 周 波 数 帯 域 モジュール 構 造 電 気 :5 種 類 TDR3 種 類 光 :9 種 類 16 ビット 垂 直 分 解 能 :20μV /LSB (1V フルレンジ) 最 大 8ch 同 時 アクイジション ショート ターム トリガ ジッタ 標 準 :425fs 80A04 型 :200fs(RMS 代 表 値 ) トリガ 帯 域 クロック 入 力 150MHz~15GHz( 保 証 値 ) プリスケール 入 力 :150MHz~20GHz( 代 表 値 ) コミュニケーション マスク テスト データ 依 存 性 障 害 解 析 に 適 したフレーム スキャン 機 能 内 蔵 パターン シンク 機 能 (オプションADVTR) オプション ジッタ ノイズ BER 評 価 Sパラメータ モデリング アイ ダイアグラム シミュレ ーション 78

79 BSA Cシリーズ ビット エラー レート アナライザ BSA CPGシリーズ パターン ジェネレータ 最 高 26Gbpsのパターン 生 成 高 速 BER/ジッタ 測 定 エラー 解 析 が 可 能 8.5Gbps 12.5Gbps 17.5Gbps 26Gbpsにパターン ジェネレータ4 機 種 ビット エラ ー レート アナライザ4 機 種 ストレス 生 成 機 能 BERTScopeツールキット 標 準 テスト スイート アイ ダイアグラム マスク テスト:オシロスコープ ライクなアイ ダイアグラム 解 析 ジッタ トレランス コンプライアンス テンプレート テストとマージン テスト 物 理 レイヤ テスト ソフトウェア スイート ジッタ ピーク BER 輪 郭 Qファクタ 解 析 ジッタ 分 離 (ジッタ マップ) 当 社 特 許 のError Location Analysis 機 能 エラー/データ 相 関 など その 他 ストレス ライブ データ エラー 訂 正 符 号 化 エミュレーション シンボル フィルタリング 79

80 ハードウェア ベースのジッタ 信 号 生 成 BSA C/CPGシリーズ(opt.STR) リアルタイムでのジッタ 生 成 と 可 変 ジッタ 要 素 周 期 性 ジッタ F/2ジッタ(opt.F2) 有 界 非 相 関 ジッタ (BUJ) ランダム ジッタ PCI Express Rev.2.0 Rx 測 定 (オプション) 低 周 波 ランダム ジッタ 低 周 波 周 期 性 ジッタ スペクトラム 拡 散 クロック(SSC) 単 体 でBER レシーバ ジッタ 耐 性 /マージ ン テストが 可 能 (BSA Cシリーズ) ライブ データへのジッタ 印 加 機 能 (opt.sld) 80

81 DPP125B 型 デジタル プリエンファシス ユニット 標 準 :3タップ オプション:4タップ 任 意 の3ビット 4ビットに 対 し ディエンファ シス プリシュートを 設 定 可 能 周 波 数 領 域 での 特 性 確 認 可 能 12.5Gbpsまで BERTScope あるいはスタンドアローンで 他 のパターン ジェネレータと 併 用 可 能 81

82 AWG7122C 型 任 意 波 形 ジェネレータ 任 意 のジッタ プリエンファシス ノイズを 印 加 し てのシリアル データが 発 生 可 能 直 接 にジッタを 生 成 し 合 成 (ダイレクト シンセシ ス) 損 失 のためのハードウェア リファレンス チャン ネルが 不 要 高 い 再 現 性 最 高 サンプリング レート( 従 来 機 種 1.2 倍 ) 12GS/s@2チャンネル 24GS/s@1チャンネル 10ビット 垂 直 分 解 能 マーカ 出 力 2チャンネル/アナログ 出 力 メモリ 長 標 準 ャンネル 応 用 例 レシーバ ジッタ トレランス テスト SSC df/dtストレス テストを 実 現 PLLループ 帯 域 幅 チャンネル エミュレーション 82

83 SDX100 SerialXpress ジッタ 生 成 ソフトウェア AWGシリーズ 任 意 波 形 ジェネレータで 任 意 のジッ タ プリエンファシス ノイズを 印 加 してのシリア ル データが 直 接 に 発 生 可 能 に(ダイレクト シンセ シス) レシーバ ジッタ 耐 性 /マージン テスト SSC df/dtストレス テストを 実 現 ジッタ 要 素 周 期 性 ジッタ( 正 弦 波 4ソース) ランダム ジッタ(3ソース) シンボル 間 干 渉 (ISI) デューティ サイクル ディストーション(DCD)) スペクトラム 拡 散 クロック(SSC) 要 素 (オプション) プロファイル 拡 散 方 式 周 波 数 偏 移 拡 散 周 波 数 df/dt ノイズ S-パラメータ フィルタによるチャンネル エミュレ ーション(オプション) TouchStone 形 式 ファイルをインポートして 基 板 ケーブル クロストークをシミュレーション 可 能 シンボル 間 干 渉 (ISI)などを 生 成 のための 外 付 け ハードウェアが 不 要 83

84 ジッタ ストレス 信 号 生 成 : 2つのソリューション AWGシリーズ 任 意 波 形 ジェネレータ SDX100 SerialXpress SerialXpressジッタ 生 成 ソフト ウエア ソフトウェア ベースのジッタ 信 号 生 成 6Gbpsまで BERTScope Cシリーズ BERTScope CPGシリーズ ハードウェア ベースのジッタ 信 号 生 成 (opt.str) チャンネル エミュレーション プリエンファシス: 外 付 け ハードウェア ケーブル エミュレータが 必 要 エラー ディテクタ 内 蔵 タイプでは 単 体 でBER レシー バ ジッタ 耐 性 /マージン テストが 可 能 (BERTScope Cシリーズ) 26Gbpsまで 84

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