Messungen an seriellen High-Speed-Bussen erfordern Speicherplatz für Augendiagramme, Jitteranalysen, für Modulationsmessungen und Untersuchungen am Taktsignal sowie für eine Reihe weiterer Parameter, um die Signalqualität zu prüfen. Dies setzt einen großzügig dimensionierten Sample-Speicher voraus, der die erfassten Abtastwerte selbst bei Abtastraten bis 40 GS/s zuverlässig sichert. Eine Lösung: Geräte, die ein Schaltungskonzept mit Silizium-Germanium-Chips in der Oszilloskop-Eingangsstufe nutzen.

Welche Speichertiefe ein Oszilloskop hat, hängt weit gehend vom Schaltungskonzept des Geräts ab. Es gibt Modelle, bei denen auf Schnelligkeit gezüchtete Schaltungselemente wie A/D-Wandler, Demultiplexer und Speicher auf einem einzigen Chip untergebracht sind. Dieser Lösungsansatz begrenzt allerdings die Speichertiefe, weil der Speicher die Chipfläche mit anderen Funktionen teilen muss. Grundsätzlich ist es zwar möglich, dem schnellen, aber kleinen Speicher des Chips einen größeren externen Speicher zur Seite zu stellen, doch ist dieser dann langsamer und nicht im Stande, Daten bei hohen Abtastraten aufzunehmen.

Ein alternativer Lösungsansatz sieht vor, für die Oszilloskop-Eingangsstufe die gegenwärtig schnellsten Halbleiterbauelemente zu verwenden, die der Markt bietet: Silizium-Germanium-Chips (SiGe). Dieses Schaltungskonzept erlaubt es, die Abtastwerte in einem unabhängigen High-Speed-Datenspeicher abzulegen und so auf die maximal zulässige Abtastrate, Bandbreite und Speichertiefe sogar gleichzeitig zurückgreifen zu können. Beispiele hierfür sind die Oszilloskope der Serie TDS6000C von Tektronix. Sie bieten bis zu 15 GHz Bandbreite bei einer maximalen Abtastrate von 40 GS/s und Speichertiefen bis zu 64 MByte.

Der Datenspeicher nimmt über eine gewisse Zeitspanne hinweg Signaldaten auf. Man spricht hier von der Speicherzeit. Bei der Signalerfassung mit einem digitalen Speicheroszilloskop (DSO) verhalten sich nun Abtastrate und Speicherzeit umgekehrt proportional zueinander. Das bedeutet: Steigt die Abtastrate, weil z.B. die Abtastwerte häufiger vom Messsignal abgegriffen werden, füllt sich auch der Datenspeicher schneller. Die Speicherzeit wird kürzer. Zudem greift hier das Nyquist-Theorem, das besagt, dass mit steigender Frequenz des Messsignals auch die Abtastrate zunehmen muss.

Beispiel: Ein Oszilloskop mit einer Speichertiefe von 1 MByte erfasst ein 50-kHz-Signal mit der Abtastrate von 100 000 S/s. Sein Speicher ist erst nach 10 s gefüllt. Steigt die Abtastrate auf 1 MS/s – damit ließe sich ein 500-kHz-Signal erfassen –, dauert es nur noch 1 s, bis die Speicherkapazität erschöpft ist. Sollen dagegen die schnellsten Signale erfasst werden, die gegenwärtig bei serieller Datenübertragung vorkommen können, würde sich der 1-MByte-Speicher bei der dann erforderlichen hohen Abtastrate von 40 GS/s in gerade einmal 25 ms füllen.

SSC-Modulationsfrequenz reicht bis 33 kHz

Auch bei eher niederfrequenten Messsignalen erweist sich eine große Speichertiefe von Vorteil. So z.B. bei der Messung von Spread-Spectrum-Clock-(SSC-)Modulationssignalen. Ohne ausreichend große Speichertiefe lässt sich noch nicht einmal ein einziger kompletter Modulationszyklus einer typischen SSC-Schaltung speichern und analysieren. Die Serial-ATA-Spezifikationen z.B. definieren eine SSC-Modulationsfrequenz von 30 bis 33 kHz. Offenkundig geht es hier um eine ganz andere Größenordnung im Vergleich zu den eigentlichen Daten, für die hohe Datenraten im Bereich mehrerer Gigabit gelten. Daraus ergeben sich die folgenden Betrachtungen, die sowohl für den SATA-Standard als auch für SATA II zutreffen:

Wird SSC verwendet, müssen alle zeitrelevanten Parameter (inkl. Jitter, Laufzeiten, Taktperiode oder Flankenzeiten) die vorhandenen Spezifikationen erfüllen, auch wenn diese SSC gar nicht berücksichtigen. Das minimale Unit-Intervall (UI) dauert 666,43 ps fürs aktive Datensignal, das Maximum 670,12 ps.Die bevorzugte Modulationsart ist das „Down-Spreading“ (das Abwärtsspreizen des Frequenzhubes). Dies verhindert eine Modulation oberhalb der Nominalfrequenz.Für eine Dreiecksmodulation muss der Frequenzhub des Taktsignals abwärts gespreizt sein und darf nicht mehr als um 0,5% gegenüber der Nominalfrequenz versetzt sein. Die Modulationsfrequenz des SSC muss sich dabei im Bereich von 30 bis 33 kHz bewegen.

Bild 1 veranschaulicht das SSC-Modulationsprofil einer SATA- oder SATA-II-Baugruppe. Wenn sich die Modulationshüllkurve in positiver Richtung entwickelt, wird die Taktperiode mit jedem folgenden Zyklus (UI) länger. An der Spitze der Hüllkurve dauert eine Periode am längsten. Danach nimmt sie im Einklang mit dem Modulationsprofil wieder ab.

Es gilt zehn aktive Modulationszyklen zu erfassen

Zu beachten ist ferner, dass die SSC-Modulation auf einen Höchstwert von 0,5% der Nominalfrequenz begrenzt ist. Um dennoch das Verhalten dieses SSC-modulierten Signals analysieren zu können, muss der Anwender mindestens zehn aktive Modulationszyklen erfassen und speichern. Danach kommen die Rückgewinnung des eingebetteten Takts an die Reihe sowie die bildliche Ausgabe aller Veränderungen der Taktperiode über die Zeit. Tools wie z.B. das Jitter-Measurement-Package TDSJIT3v2.0 des Herstellers eignen sich für derartige Analysen, weil sie auch die Analyse niederfrequenter SSC-Modulationssignale zulassen.

Im Interesse einer möglichst unverfälschenden Datenerfassung muss ein Oszilloskop Erfassungen mit angemessener Abtastrate vornehmen. Im Falle der gegenwärtig anspruchsvollen Protokolle für serielle Datenübertragung sind das 40 GS/s. Ein Oszilloskop muss jedoch auch genug „Zeit“ speichern können, damit sich im Speicher mindestens zehn Zyklen der 30,3-µs-Modulationshüllkurve ansammeln können.

Hans-Peter Fleischheuer