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3-2012

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HF-Praxis 3-2012

Software AWRs Microwave

Software AWRs Microwave Office Software im Vektor- Netzwerkanalysator Anritsu VectorStar „eingebaut“ Die VectorStar-Familie ist Anritsus Premium-VNA-Produktlinie mit der höchsten Gesamtleistung auf einer modernen Plattform. Die Serie MS4640A bietet die höchste Leistung und deckt den Frequenzbereich von 70 kHz bis 70 GHz ab. Die Vorteile, die ein Vektor- Netzwerkanalysator (VNA) mit „eingebauten“ Hochfrequenz- Design-Tools dem Anwender bietet, werden erst dann erkennbar, wenn man Simulations- und Messergebnisse miteinander vergleichen möchte. Dann merkt man, wieviel einfacher es ist, diesen Vergleich direkt auf dem Messgerät durchzuführen, statt die Messdaten zu einem externen Simulator übertragen zu müssen, der auf einem PC oder einer Workstation läuft. Dieser Applikationsbericht verdeutlicht die Vorteile einer solchen neuartigen, integrierten Lösung (Microwave Office Software von AWR „eingebaut“ in den Anritsu VectorStar VNA) am Beispiel des Design Flows für einen seriellen Hochgeschwindigkeits-Backplane-Bus. Die immer weiter in die Höhe getriebenen Datenraten für Chipzu-Chip-, Board-zu-Board- und System-zu-System-Kommunikation erfordern asynchrone Multi- Gigabit-Signalübertragungsverfahren und Serializer/Deserializer- (SERDES) Technologie zur Datenformatierung und -übertragung. Analysten prognostizieren, dass die SERDES-I/O- Datenraten sich alle zwei bis drei Jahre verdoppeln. Geschwindigkeiten von über 8 Gbit/s stehen bereits kurz vor der Einführung. Dadurch verlagern sich die Herausforderungen beim SERDES- Design ganz klar in den Mikrowellenbereich. Entwickler, die bisher nur mit relativ langsamen Bussen vertraut waren, stehen beim Design jetzt vor völlig neuen physikalischen und elektrischen Herausforderungen. Von einem SERDES wird beispielsweise verlangt, dass die Bitfehlerrate (BER) unter 10E- 12 bleibt. Diese Forderung ist nicht leicht zu erfüllen, weil die für Bauteilgehäuse, Leiterplatten und Backplane-Busse verwendeten Materialien – die möglichst billig sein sollen – mit zunehmender Frequenz immer stärker die Signalqualität beeinträchtigen. Hinzu kommen noch Fehlanpassungs-, Kopplungs-, Dispersions- und andere HF- Effekte, welche die Qualität des Übertragungskanals vom Sender zum Empfänger min- dern. Inter-Symbol-Interferenz- (ISI) und Übersprechen- Simulationen erfordern daher eine präzise Modellierung unter Einbeziehung von analogen, HF- und elektromagnetischen (EM) Effekten. Zur Erfassung von Dispersions- und Kopplungseffekten ist es nötig, auch die Mikrowelleneigenschaften des Kanals zu modellieren. Im Idealfall würde ein Modell eines seriellen Kanals, das auf einer Kombination aus Messung und Simulation beruht, eine innerhalb der Fertigungstoleranzen liegende Genauigkeit aufweisen. Glücklicherweise ist dieses Ideal heute erreichbar – mit der AWR Microwave Office Software, „eingebaut“ in den Anritsu VectorStar VNA. Beispiel für ein SERDES-Design Für dieses SERDES-Beispiel wird ein VNA mit vier Messports benötigt, da die Übertragung durch differenzielle Signalpaare erfolgt und auf der vierlagigen Leiterplatte ein Kanal zwei Eingänge und zwei Ausgänge erfordert. Zur Darstellung des Hintergrund: Die SERDES-Herausforderung Bild 1: Das Design eines seriellen Hochgeschwindigkeits-Backplane-Boards, dargestellt in AWRs Microwave Office Software, die auf dem Anritsu VectorStar läuft. 12 hf-praxis 3/2012

Software Zusammenfassung Bild 2: SERDES-Leiterplattendesign mit unsymmetrischen und differenziellen Microstrip-, Striplineund Coplanar-Kanälen unter Verwendung prädiktiver Schaltbildelemente, verifiziert mit AXIEM Augendiagramms, das als Maß für die Kanalqualität dient, ist eine Nichtlinear-Simulation innerhalb der Microwave Office Software erforderlich. Hierfür wird ein pseudo-zufälliger Bitstrom (PRBS, Pseudo-Random Bit Stream) benötigt – ein Zeitbereichsignal mit veränderlicher Spannung, das außerhalb des Rahmens der Linear-Simulation liegt. Das für diesen Applikationsbericht entwickelte SERDES- Demo-Board ist 12”x12” (30,5 cm x 30,5 cm) groß und besteht – wegen der geforderten hohen Übertragungsgeschwindigkeiten und großen Bandbreite – aus Nelco N3000si-Materialien. Zu Vergleichszwecken enthält das Board zwei Microstrip- und Stripline-Kanäle, jeweils einen „guten“ und einen „schlechten“. Das ursprüngliche Design wurde mithilfe von Linear-Simulation in der Microwave-Office-Softwareumgebung entwickelt, wobei das Kanallayout automatisch unter Verwendung von Mikrowellenmodellen erstellt wurde. Zur genaueren Charakterisierung der Übergänge wurde es an AWRs 3D-Planar-EM- Simulationssoftware AXIEM übergeben. Zur Design-Verifikation wurden mithilfe von AWRs Harmonic-Balance-Simulator APLAC Augendiagramme simuliert und die Augenöffnung maximiert. Beim Linear-Test handelte es sich in diesem Fall um eine Vierkanal-Messung mit differenziellen Mixed-Mode-S-Parametern statt unsymmetrischen S-Parametern. Obwohl das Design mithilfe linearer Modelle erstellt wurde und die Simulation mit AWRs EM-Solver AXIEM durchgeführt wurde, war eine Harmonic-Balance- oder Zeitbereich- (SPICE-ähnliche) Simulation nötig, um das Nichtlinear- Bild 3: Komplexe Strukturen können mit einer Kombination aus Schaltungs- und Systemebenen- Simulation einschließlich S-Parameter, Augendiagramme und Bitfehlerrate (BER) in 3D analysiert und betrachtet werden. Verhalten zu charakterisieren. Auf dem Anritsu VectorStar lief die gesamte AWR-Entwicklungsumgebung*. Die Datenrate des PRBS-Bitstroms wurde bis auf 20 Gbit/s erhöht, um herauszufinden, ab welcher Geschwindigkeit die Bitfehlerrate rapide anzusteigen beginnt. Die Simulation zeigte die nichtlineare PRBS-Signalquelle bei der Ansteuerung eines Messobjekts, wobei Microwave Office auf dem Messgerät lief, während dieses die Kanalmessung durchführte. Die Möglichkeit, auf ein und derselben „Workstation“ Hochfrequenzschaltungen zu simulieren und reale Messungen durchzuführen, ist in vielen Situationen vorteilhaft und spart Zeit. Insbesondere bei der Entwicklung von Hochgeschwindigkeitsboards sollte man unbedingt in der Lage sein, vorab ein „gutes“ Kanaldesign sicherzustellen, bevor man den Entwicklungsprozess fortsetzt. Die Einbindung von Treibern und Empfängern in das Design erhöht nicht nur dessen Komplexität, sondern auch die Kosten. Der durch AWR Connected for Anritsu Vector- Star erzielte Mehrwert besteht darin, dass man die zunehmende Design-Komplexität mit den gleichen Nichtlinear-Signalquellen validieren kann, die für den Entwurf verwendet wurden, und dass man gleichzeitig die notwendigen Messungen durchführen kann. * „AWR Connected for Anritsu“ unterstützt im Auslieferungszustand des VectorStar nur lineare Schaltungssimulation. Es wurde nachträglich weitere Software installiert, um die vollständige Suite der AWR-Tools auf dem VectorStar ausführen zu können. ■ AWR web.awrcorp.com hf-praxis 3/2012 13

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