EP Basics Gescheiterter Konformitätstest bei seriellen Busschnittstellen und was zu tun ist

Von Guido Schulze

Ob USB, HDMI oder Ethernet: Bei einem gescheiterten Konformitätstest müssen sich Entwickler mit den möglichen Ursachen bei Signalinte­gritätsproblemen auf digitalen Highspeed-Bussen auseinandersetzen.

Anbieter zum Thema

Ist der Konformitätstest gescheitert, müssen Entwickler mögliche Ursachen auf digitalen Highspeed-Bussen suchen.
Ist der Konformitätstest gescheitert, müssen Entwickler mögliche Ursachen auf digitalen Highspeed-Bussen suchen.
(Bild: © H_Ko – adobe.stock.com)

Der Konformitätstest ist ein wichtiger Meilenstein in der Produktentwicklung. Für Schnittstellen wie USB oder Ethernet liegen detaillierte Testspezifikationen der Standardisierungskomitees vor. Test, Dokumentation und Zertifizierung der Schnittstellen übernehmen spezialisierte Messlabore. Möchten Anwender die notwendigen Test selbst durchführen, bieten sich Oszilloskope wie das R&S RTP an, um automatisiert alle gängigen Schnittstellenstandards zu überprüfen.

Dazu hat der Hersteller Rohde & Schwarz eine bildunterstütztende Messkonfiguration entwickelt und seine Oszilloskope mit vorgefertigten Messabläufen ausgestattet. Denn wenn Entwickler keine standardkonforme Testergebnisse haben, beginnt eine zeitaufwendige Fehlersuche. Das Oszilloskop R&S RTP mit seinen Analysewerkzeugen wie Augendiagramm mit Maskentest oder der Separierung von Jitter- und Rauschkomponenten hilft dem Entwickler bei der Fehlersuche.

Mit der Zeitbereichsreflektometrie steht ein wichtiges Werkzeug bereit, um die Über­tragungseigenschaften passiver Signalpfadkomponenten wie Stecker, Kabel oder Signalleitungen auf der Leiterplatte zu überprüfen.

Konformitätstest für einen USB-3.2-Transmitter

Der Fokus bei Transmitter-Konformitätsmessungen an USB 3.2 liegt auf dem Augendiagramm (Transmitted Eye). Hier überprüft man die Augenöffnung, die Signalpegel und die Jitter-Komponenten. Dieser Test wird sowohl direkt am Geräte-Ausgang (Short Channel) oder zusammen mit einem simulierten Signalpfad (Long Channel) ausgeführt. Für Long-Channel-Tests gibt es vom USB Implementers Forum (USB-IF) veröffentlichte Dateien mit S-Parametern für unterschiedliche Kabel- und Leiterbahnlängen.

Bei den Tests zeichnet das Oszilloskop je eine Clock- und Datensignalsequenz mit einer Länge von 200 µs auf. Die Sequenzen werden anschließend mit der USB-IF-Analysesoftware SigTest auf Standardkonformität geprüft. Die Konformitäts-Testpattern muss jedes USB-Device im Testmodus selbst erzeugen: Für USB 3.2 Gen1 sind dies die Pattern CP0 (Data) und CP1 (Clock) und für USB 3.2 Gen2 die Pattern CP9 (Data) und CP10 (Clock). Durch das Senden von kurzen LFPS-Sequenzen an den Receiver im USB-Device wird jeweils auf das nächste CP-Pattern geschaltet.

Konformitätstest: Bei seriellen Schnittstellen wie USB, HDMI oder PCI Express sorgen sie dafür, dass elektronische Geräte untereinander kommunizieren können. Im Bild ein Konformitätstest für USB 3.2 Gen1 mit dem Oszilloskop R&S RTP164 (16 GHz).
Konformitätstest: Bei seriellen Schnittstellen wie USB, HDMI oder PCI Express sorgen sie dafür, dass elektronische Geräte untereinander kommunizieren können. Im Bild ein Konformitätstest für USB 3.2 Gen1 mit dem Oszilloskop R&S RTP164 (16 GHz).
(Bild: Rohde & Schwarz)

Das Oszilloskop unterstützt den Konformitätstest für USB 3.2 Gen1 (notwendig ist ein Modell mit 13 GHz) und für Gen2 (Modell mit 16 GHz). Die erforderliche Analysesoftware SigTest ist in die Option R&S RTP-K101 (USB-3.2-Konformitätstest) integriert und der dazugehörige Messablauf wird automatisiert.

Bild 2: Erfassung der Messkurve „Short Channel“ eines USB-3.2-Gen1-Device an Kanal 1 und 3 und Echtzeitberechnung als differenzielles Signal (Diff 1). Berechnung des Signals „Long Channel“ durch Embedding der S-Parameter vom USB-IF (Math 1).
Bild 2: Erfassung der Messkurve „Short Channel“ eines USB-3.2-Gen1-Device an Kanal 1 und 3 und Echtzeitberechnung als differenzielles Signal (Diff 1). Berechnung des Signals „Long Channel“ durch Embedding der S-Parameter vom USB-IF (Math 1).
(Bild: Rohde & Schwarz)

Der Anwender wird bei der Option grafisch unterstützt. Mit der integrierten zweikanaligen 100-MHz-Generatoroption schaltet das Gerät automatisch auf die einzelnen Testpattern. Unterstützt wird der Entwickler vom gleichzeitigen Test der Short und Long Channel. Die Messkurve vom Short-Channel-Setup wird mit Embedding-Filtern, die auf der Grundlage der S-Parameter-Dateien vom USB-IF erstellt wurden, zu einer Long-Channel-Messkurve verarbeitet. Die Ergebnisse des gesamten Tests werden zu einem detaillierten Bericht aufbereitet.

Fehler in einem USB-Gerät der Version 3.2 Gen1

Bild 3a: Der Bericht aus einem Konformitätstest für USB 3.2 Gen1 zeigt übermäßig hohen Jitter in der Ergebnistabelle.
Bild 3a: Der Bericht aus einem Konformitätstest für USB 3.2 Gen1 zeigt übermäßig hohen Jitter in der Ergebnistabelle.
(Bild: Rohde & Schwarz)

Bild 3b: 
Und hoher Jitter in einem Augendiagramm.
Bild 3b: 
Und hoher Jitter in einem Augendiagramm.
(Bild: Rohde & Schwarz)

Die Bilder 3a und 3b zeigen im Ergebnisbericht zu einem USB-3.2-Gen1-Device Fehler beim Test „Transmitted Eye“. Besonders auffällig ist der Random Jitter (RJ), der mit dem Clock Pattern (CP1) ermittelt wird. Das entsprechende Augendiagramm für das Daten-Pattern (CP0) zeigt ebenfalls hohen Jitter und Rauschen. Mit den Analysewerkzeugen des Oszilloskops können die Ursachen ergründet werden.

Jetzt Newsletter abonnieren

Verpassen Sie nicht unsere besten Inhalte

Mit Klick auf „Newsletter abonnieren“ erkläre ich mich mit der Verarbeitung und Nutzung meiner Daten gemäß Einwilligungserklärung (bitte aufklappen für Details) einverstanden und akzeptiere die Nutzungsbedingungen. Weitere Informationen finde ich in unserer Datenschutzerklärung.

Aufklappen für Details zu Ihrer Einwilligung

Bild 4: Das Datenauge entsteht durch die Überlagerung von Bit-Sequenzen.
Bild 4: Das Datenauge entsteht durch die Überlagerung von Bit-Sequenzen.
(Bild: Rohde & Schwarz)

Schneller Überblick mit dem Datenauge: Die Datenaugenanalyse ist eine der bekanntesten Methoden für schnelle Signalintegritätstests. Dazu werden die einzelnen Daten-Bits einer Signalsequenz übereinandergelegt. Kritisch dabei ist die Wahl der richtigen Zeitbasis zur Bit-Zerlegung. Für alle Generationen des USB-Standards ist Clock Data Recovery (CDR) zweiter Ordnung mit unterschiedlichen Transferfunktionen definiert.

Bild 5a: Maskendefinition aus der Universal Serial Bus 3.2 Specification, Revision 1.0.
Bild 5a: Maskendefinition aus der Universal Serial Bus 3.2 Specification, Revision 1.0.
(Bild: Rohde & Schwarz)

Bild 5b: Maskendefinition aus der Universal Serial Bus 3.2 Specification, Revision 1.0.
Bild 5b: Maskendefinition aus der Universal Serial Bus 3.2 Specification, Revision 1.0.
(Bild: Rohde & Schwarz)

Die im USB-Standard festgelegten Augenmasken haben die Form eines Hexagons. Die minimale Höhe der Augenöffnung ist für Gen1 mit 100 mV und für Gen2 mit 70 mV spezifiziert. Die minimale Augenweite ergibt sich aus der Bit-Länge (Unit Interval – UI) abzüglich des maximalen Gesamt-Jitters (Total Jitter, TJ), der für eine Bitfehlerrate von 10-12 definiert ist. Für USB 3.2 Gen1 entspricht dies 68 ps, für Gen2 28,6 ps.

Bild 6: 
Echtzeit-Datenauge des fehlerhaften USB-Device mit Hardware-basierter CDR, Maskentest und Histogramm mit dem Oszilloskop R&S RTP164.
Bild 6: 
Echtzeit-Datenauge des fehlerhaften USB-Device mit Hardware-basierter CDR, Maskentest und Histogramm mit dem Oszilloskop R&S RTP164.
(Bild: Rohde & Schwarz)

Das Oszilloskop generiert Augendiagramme mit einer konfigurierbaren CDR, die in Hardware realisiert ist und sich als Trigger nutzen lässt. Damit ist bei stetig laufender CDR ein großer Beobachtungszeitraum für den Signalstrom gegeben, mit dem sporadische Fehler erfasst werden können. Die Maske in der Augenmitte ist so konfigurierbar, dass die Erfassung bei einer Maskenverletzung stoppt. Bild 6 zeigt den Augentest für das eingangs beschriebene fehlerhafte USB-3.2-Gen1-Device.

Wie schon beim Konformitätstest weist das Datenauge einen hohen Jitter- und Rauschanteil aus. Das zusätzliche Histogramm an der rechten Augenseite verdeutlicht die zeitliche Verteilung der Bit-Flanken und damit den Jitter. In der bimodalen Histogrammform steckt die zusätzliche Information, dass im Signal auch hoher deterministischer Jitter enthalten ist.

Fehlerquellen aus Jitter- und Rauschkomponenten

Bild 7: Der Gesamt-Jitter ist unterteilbar in zufällige (random) und deterministische Komponenten.
Bild 7: Der Gesamt-Jitter ist unterteilbar in zufällige (random) und deterministische Komponenten.
(Bild: Rohde & Schwarz)

Ein Histogramm im Augendiagramm liefert erste Erkenntnisse über Jitter und Rauschen im Testsignal. Um weitere Details über die Störquellen zu gewinnen, muss der Gesamt-Jitter und das Gesamtrauschen der einzelnen Grundkomponenten aufgeschlüsselt werden. Ein hoher zufälliger Jitter (RJ) oder hohes Rauschen (RN) weisen beispielsweise auf Probleme im Halbleiter selbst hin (thermisches Rauschen, Schrotrauschen), oder auf einen instabilen Taktoszillator.

Deterministische periodische Anteile (PJ) haben ihren Ursprung beispielsweise in einer instabilen PLL oder in Einkopplungen durch Schaltnetzteile. Die datenabhängigen Komponenten (DDJ) unterteilen sich in ungleiche pulsbreiten-basierte Fehler (DCD). Das ist beispiels­weise verursacht durch unsymmetrische Signalflanken, sowie in Intersymbolinterferenz (ISI). Letztere kann beispiels­weise von Übertragungsverlusten durch zu geringe Bandbreite der Leiterbahnen oder von Reflexionen an Durchkontaktierungen oder Steckern herrühren.

Jitter-Separierung und die detaillierten Ergebnisse

Bild 8: Ergebnisse der Jitter-Separierung für das fehlerhafte USB-3.2-Gen1-Device.
Bild 8: Ergebnisse der Jitter-Separierung für das fehlerhafte USB-3.2-Gen1-Device.
(Bild: Rohde & Schwarz)

Nach dem Abschluss der Jitter-Separierung stehen dem Anwender detaillierte Ergebnisse zur Verfügung (Bild 8). In der Ergebnis­tabelle rechts oben ist zu sehen, dass der periodische Jitter (PJ) den deterministischen Jitter dominiert und dass der zufällige Jitter (RJ + (O)BUJ) auffällig hoch ist. Das Histogramm des PJ zeigt eine Verteilung, die auf eine sinusförmige Störung hinweist. In der zweiten Tabelle rechts unten werden die geschätzten periodischen Jitter-Komponenten aufgelistet. Hier fallen hohe Jitter-Werte bei 100 MHz auf. Dies sind in der Regel wert­volle Informationen, mit denen sich die Stör­frequenzen den entsprechenden Funktionsblöcken zuordnen und entsprechende Maßnahmen zur Reduzierung der Einkopplung treffen lassen.

Bild 9: Periodischer und zufälliger Jitter werden durch die Einkopplung von Signalen aus dem R&S RTP-Generator in die 5-V-Spannungsversorgung des USB-Device verursacht.
Bild 9: Periodischer und zufälliger Jitter werden durch die Einkopplung von Signalen aus dem R&S RTP-Generator in die 5-V-Spannungsversorgung des USB-Device verursacht.
(Bild: Rohde & Schwarz)

Bild 10: Jitter-Ergebnisse nach dem Ausschalten der Störquelle.
Bild 10: Jitter-Ergebnisse nach dem Ausschalten der Störquelle.
(Bild: Rohde & Schwarz)

Eine typische Schwachstelle ist die Spannungsversorgung. Über deren Versorgungsleitungen und Masseflächen kann es leicht zur Einkopplung von Signalen kommen. Im Beispiel ist für einen Testaufbau die im R&S RTP integrierte Generator-Option mit einer Spannungsversorgung von 5 V des USB-Testobjekts verbunden. Das eingekoppelte Signal des Generators verursachte die periodische Störung mit einer Frequenz von 100 MHz, das zusätzliche Rauschen bewirkte den starken zufälligen Jitter (Bild 9), wie ein Vergleich mit der Situation nach Ausschalten der Störquelle belegt (Bild 10). Ohne den Störer wird der Jitter-Test bei der Konformitätsprüfung ohne Weiteres bestanden.

Den Signalpfad mit einem TDR prüfen

Bild 11: TDR-Messung am USB-Prüfadapter. Oben ist die Impedanz und unten der Reflexionskoeffizient.
Bild 11: TDR-Messung am USB-Prüfadapter. Oben ist die Impedanz und unten der Reflexionskoeffizient.
(Bild: Rohde & Schwarz)

Bild 12: 
TDT-Messung am USB-Prüfadapter. Die Anstiegszeit des Pulses am Ausgang beträgt 108 ps.
Bild 12: 
TDT-Messung am USB-Prüfadapter. Die Anstiegszeit des Pulses am Ausgang beträgt 108 ps.
(Bild: Rohde & Schwarz)

Neben der Analyse der aktiven Signale ist bei Signalintegritätsproblemen auch die Kontrolle der Signalpfade wichtig. Das Augenmerk liegt dabei auf Transmissionsverlusten sowie dem Impedanzverlauf und der Impedanzstabilität entlang des Signalpfads. Die Bandbreite der Signalpfade auf der Leiterplatte, der Steckverbinder und Kabel muss passend zum Signal entworfen und ausgewählt sein. Ebenso sind Reflexionen verursachende Impedanzsprünge zu vermeiden.

Gemessen wird mit Netzwerkanalysatoren. Eine Alternative bietet das R&S RTP mit der integrierten Zeitbereichsreflektometrie (TDR). Als Stimulus dient die differenzielle 16-GHz-Pulsquelle, über deren Referenzausgänge die reflektierten Signale mit dem Oszilloskop vermessen werden. Die Applikationssoftware unterstützt bei der vorbereitenden Kalibration des Setups und bei der Messung. Mit der TDR lassen sich Impedanz und Reflexionskoeffizient entlang des Signalpfads vermessen.

Bild 11 zeigt die Vermessung eines USB-Prüfadapters. Die differenzielle Pulsquelle wurde an die SMA-Konnektoren angeschlossen. Die USB-Type-A-Buchse blieb offen und das eingespeiste Pulssignal wird vollständig reflektiert. Die Impedanz und der Reflexionsfaktor sind über Zeit und Wegstrecke darstellbar und lassen sich lokalen Abschnitten auf dem Messobjekt zuordnen. Zu sehen sind beispielsweise der Impedanzsprung beim Übergang von den SMA-Konnektoren zur Leiterplatte, der konstante Impedanzverlauf entlang der Leiterbahn und die Reflexion an der USB-Buchse.

Eine weitere Messmöglichkeit besteht in der Analyse der Zeitbereichstransmission (TDT). Dabei wird ebenfalls ein kurzer Puls in den Signalpfad eingespeist. Dessen Ausgang ist dazu mit dem Oszilloskopkanal verbunden, sodass die Übertragungsverluste ermittelt werden können. Das Ergebnis der TDT zeigt die durch Transmissionsverluste geprägte Pulsform. Die gemessene Anstiegszeit (Bild 12) lässt auf eine Bandbreite von etwa 3,2 GHz schließen (BW = 0,35/trise).

* Guido Schulze ist Produktmanager Oszilloskope bei Rohde & Schwarz in München.

(ID:48045815)