9-2022

Titelstory Bild 3:

Titelstory Bild 3: Augendiagramm bei 480 Mb/s Bild 4: Augendiagram bei 2 Gb/s dass die Signale repetitiv sind. Ist dies gegeben, können mit dieser Art der Erfassung entsprechende Signale bis 25 GHz oder mehr vermessen werden. Zeitbereichsanalyse mit dem VNA Eine weitere Alternative sind Vektor-Netzwerkanalysatoren (VNA), die die Möglichkeit der Zeitbereichsanalyse bieten. VNAs sind mit hohen Bandbreiten am Markt verfügbar und eignen sich sehr gut zur Charakterisierung von aktiven und passiven Komponenten, so auch für Stecker, Kabel oder Leitungen. Seit einem Jahr bietet Siglent mit seiner SNA5000A-Serie entsprechende Geräte an. Mit diesem VNA und der Zeitbereichsanalyse-Option können neben TDR-Messungen auch Augendiagramme erzeugt werden. Die Prozedur ist im Vergleich zum Oszilloskop eine komplett andere. Anstatt in Echtzeit Signale aufzunehmen, werden hier zuerst die S-Parameter des Testobjekts über die Bandbreite hinweg bestimmt. Im Anschluss wird dann berechnet, wie das Augendiagramm für eine Bitsequenz mit einer einstellbaren Datenrate aussehen würde. Das heißt, dass es sich hierbei mehr um eine Simulation als um eine echte Messung des Augendiagramms handelt. Nichtsdestotrotz ist die „Vorhersage“ sehr genau, da VNAs die S-Parameter mit hoher Genauigkeit bestimmen können. Die Bilder 3 und 4 zeigen die Veränderung bei Verwendung eines USB-3.0-Kabels bei unterschiedlichen Datenraten. Man kann sehen, dass das Auge bei hohen Datenraten eine wesentlich verkleinerte Öffnung hat. Was sind hier die Einflussfaktoren für die Veränderung bzw. welche Einflüsse sind relevant? Die Einflussfaktoren Ein erster Einflussfaktor ist die Bandbreite der Übertragungsstrecke. Ein Rechtecksignal ist aus den ungeraden Harmonischen zusammengesetzt. Je schneller der Takt und je steiler die Flanken sein sollen, desto mehr der ungeraden Harmonischen müssen übertragen werden. Wenn also die Bandbreite des Testobjekts nicht ausreichend ist, werden höhere Harmonische gedämpft. Daraus folgt ein Verschleifen des Signals. Ein weiterer Grund für die Verkleinerung der Augenöffnung liegt in der physikalischen Eigenschaft, dass sich langsamere Hochfrequenzsignale schneller bewegen können als schnelle. Dies führt dazu, dass sich am Empfänger das Rechtecksignal nicht gut reproduzieren lässt und ebenfalls eine Verschlechterung der Signalqualität entsteht. Um diese Ursache einzugrenzen, kann mit einem VNA die Gruppenlaufzeit des Übertragungskanals vermessen werden. Ein Übersprechen zwischen benachbarten Datenleitungen kann ebenfalls zu Störungen führen. Auch hierfür können mit einem VNA entsprechende Messungen zur Verifikation des Problems durchgeführt werden, sogenannte FEXT- (Far End Cross Talk) und NEXT- (Near End Cross Talk) Messungen. Ein weiterer Grund für eine Schließung des Auges kann Jitter sein. Wie anfangs bereits erwähnt kann eine unstabile Spannungsversorgung der Grund für erhöhten Jitter sein. Somit schließt sich der Kreis zum Thema Power-Integrität. Diskontinuitäten oder Fehlanpassungen auf dem Signalpfad sind eine weitere Quelle für Schwierigkeiten bei der Signalübertragung. Zum einen wird nicht die gesamte Energie übertragen und zum anderen entstehen stehende Wellen, was wiederum zu Schwingungen auf dem Pulsdach führen kann. Dies wiederum zeigt sich in einer reduzierten Augenöffnung. Betrachtet man differentielle Systeme, erzeugen Ungleichheiten der beiden Pfade Störungen. Gleichtakt- und Gegentaktstörungen zeigen sich in Übersprechen oder auch als stehende Wellen. Ungewollte Abstrahlung kann ebenfalls hierdurch entstehen. Auch hier wird wieder der enge Zusammenhang der drei Themen Signal- und Power- Integrität und EMV deutlich. Diese rücken mit steigenden Datenraten bringen die Themen noch mehr in den Fokus der Entwickler. Ferner führen sie dazu, dass sich Digitaltechnikentwickler stärker mit Hochfrequenztechnik-Themen auseinandersetzen müssen. Damit verbunden ist auch der Umgang mit Geräten wie Spektrumund Signalanalysatoren sowie Vektor-Netzwerkanalysatoren. Das Oszilloskop hat natürlich nicht ausgedient, denn es bringt sehr viel Funktionen und Flexibilität mit sich und ist im Bereich Power-Integrität das zentrale Instrument. Oszilloskope mit höherer vertikaler Auflösung wie das 12-Bit- Gerät von Siglent (SDS2000X HD) liefern einen großen Beitrag zur Optimierung des Designs. Moderne VNAs mit Zeitbereichsanalysemöglichkeiten sind in den letzten Jahren ein unersetzliches Instrument im Bereich der Highspeed-Digitalentwicklung geworden. Der Siglent VNA ist derzeit bis 8,5 GHz verfügbar und deckt aktuell eher den unteren Bereich ab. Und Geräte mit höherer Bandbreite sind auf der Roadmap und voraussichtlich ab Anfang 2023 in Europa verfügbar. ◄ 8 hf-praxis 9/2022

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