Skip navigation
All Places > Keysight Blogs > Keysight Russia > Blog > 2016 > September
2016

С появлением новых редакций спецификаций и ростом скорости передачи данных совершенствуются и спецификации приёмников шины PCI Express®. Например, параметры приёмника нормируются при скоростях обмена 2,5 ГТ/с (Гигатранзакций/с) и 5 ГТ/с в опорной точке за пределами чипсета PCI Express, содержащего этот приемник, или при скоростях обмена 8 ГТ/с и 16 ГТ/с в опорной точке внутри чипсета. Требования к тестированию приёмников с помощью искажённых испытательных сигналов разрабатываются более детально и с большим уровнем сложности. Три основных уровня спецификаций PCI Express, разные категории тестируемых устройств и разные режимы работы являются источниками различий в схемах измерения и методиках тестирования. Учесть все эти нюансы и правильно настроить стенд для тестирования приёмников может оказаться весьма непростой задачей.

 

На основе статьи Торстена Гёцельманна, инженера компании Keysight Technologies (Thorsten Götzelmann ThorstenG)

Из Википедии:

PCI Express, или PCIe, или PCI-E (также известная как 3GIO for 3rd Generation I/O) — компьютерная шина (хотя на физическом уровне шиной не является, будучи соединением типа «точка-точка»), использующая программную модель шины PCI и высокопроизводительный физический протокол, основанный на последовательной передаче данных.

 

Разработка стандарта PCI Express была начата фирмой Intel после отказа от шины InfiniBand. Официально первая базовая спецификация PCI Express появилась в июле 2002 года. Развитием стандарта PCI Express занимается организация PCI Special Interest Group.

Спецификации PCI Express

Базовые спецификации

Базовые спецификации PCI Express составляют основу всех версий стандарта PCI Express. С точки зрения физического уровня они описывают характеристики передатчика, канала и приёмника, а также возможные схемы тактирования и логические субблоки. Каждый производитель изделий с PCI Express использует модель, привязанную к базовым спецификациям. Базовые спецификации в большей части относятся к испытаниям чипсета. Они описывают как синхронный, так и асинхронный режим работы. Существуют три основные схемы тактирования: общая тактовая частота (CC), которая является синхронной, частота тактирования данных (DC), которая может быть синхронной или асинхронной, и независимая тактовая частота (IR), которая является асинхронной. Изначально асинхронная работа допускалась только в случае, если не используется тактирование с распределённым спектром (SSC). Асинхронный режим работы в присутствии SSC была представлена в начале 2013 г. Для описания такого режима без SSC используется термин «отдельное тактирование без SSC» (SRNS), а для описания режима с SSC используется термин «отдельное тактирование с независимым SSC» (SRIS). Для синхронного и асинхронного режимов работы определены разные требования к тестированию для скоростей 8 ГТ/с и 16 ГТ/с.


Спецификации CEM

Самой распространённой моделью применения PCI Express является, вероятно, слот расширения PCI Express, определённый в электромеханических характеристиках платы PCI Express (CEM). В процессе тестирования приёмников надо учитывать два разных типа устройств: платы расширения и материнские (системные) платы. CEM использует только синхронный режим работы и является единственной экосистемой PCI Express, предлагающей обязательную программу сертификации соответствия стандарту, включая тесты физического уровня. Все устройства, входящие в перечень интеграторов PCI-SIG, должны проходить проверку соответствия в одной из испытательных лабораторий PCI-SIG. Необходимые тесты соответствия физического уровня определены в спецификации тестирования архитектуры физического уровня PCI Express (CTS). Тесты CTS разработаны так, чтобы их можно было выполнять в лабораторных условиях.
В результате тестирование приёмников согласно CTS может оказаться не столь строгим и менее сложным, чем тестирование согласно базовым спецификациям.

 

Спецификации тестирования физического уровня (M-PHY)

M-PCIe заменяет физический уровень PCI Express физическим уровнем, определённым для M-PHY. Следовательно, тесты приёмника должны выполняться в соответствии со спецификацией M-PHY, а не спецификацией PCI Express. M-PHY – это физический уровень, определённый Альянсом MIPI®.

 

Требования к тестированию приёмников PCI Express

Требования к тестированию и методы калибровки не одинаковы для разных скоростей передачи данных. В спецификации PCIe 3.0 опорная точка переносится внутрь чипа, и структура искажённого испытательного сигнала становится сложнее. Кроме того, используемая для тестирования приёмников методология, описывающая межсимвольные помехи в канале, отличается для скоростей 2,5/5 ГТ/с и 8/16 ГТ/с.

 

Также требования к тестированию определяют обратную совместимость. То есть, устройство, способное работать на более высоких скоростях, должно быть совместимым и с меньшими скоростями передачи данных.


PCI Express 2,5 ГТ/с

Спецификации приёмника определены на выводах приёмника. Спецификации идентичны для разных схем тактирования и для синхронного и асинхронного режимов работы. Определена только простая маска приёмника. Поскольку спецификации случайного джиттера (RJ) отсутствуют, обычно используются значения RJ, определённые для скорости 5 ГТ/с. Тестирование по базовым спецификациям не требует внесения предыскажений, а вот тестирование в соответствии с CEM – требует.

 

Факторы, определяющие наихудшие условия:

  • Межсимвольные помехи (ISI) через внешний канал. Межсимвольные помехи должны быть основным компонентом детерминированного джиттера (DJ). Для тестов CEM нужна базовая плата для проверки соответствия PCI-SIG (CBB) и плата нагрузки для проверки соответствия (CLB). Плату CBB для gen1 и gen2 следует сконфигурировать так, чтобы её можно было использовать для тестирования приёмников
  • Случайный джиттер (RJ)
  • Для обеспечения необходимого закрытия глаза межсимвольные помехи дополняются синусоидальным джиттером (SJ)
  • Синфазная синусоидальная помеха (CM-SI), только для базовых спецификаций

 

PCI Express 5 ГТ/с

Спецификации приёмника также определены на выводах приёмника. Базовые спецификации определяют разные параметры для приёмников, использующих CC или DC. Спецификации CEM не применяют CM-SI, но добавляют второй высокочастотный тон джиттера. Для сценариев применения CC определён остаточный SSC (rSSC); rSSC представляет собой треугольную фазовую модуляцию, применяемую только к искажённому испытательному сигналу, но не к опорной тактовой частоте. Он определяет собой наихудшие условия, в которых может оказаться приёмник между SSC опорной тактовой частоты и SSC входного сигнала данных.

 

Факторы, определяющие наихудшие условия:

  • Межсимвольные помехи через внешний канал. Межсимвольные помехи должны быть основным компонентом регулярного джиттера. Для тестов CEM нужна базовая плата для проверки соответствия PCI-SIG (CBB) и плата нагрузки для проверки соответствия (CLB). Плату CBB для gen1 и gen2 следует изменить так, чтобы её можно было использовать для тестирования приёмников.
  • Отфильтрованный по спектру случайный джиттер (sRJ) с большей амплитудой для частотного спектра до 1,5 МГц и меньшей амплитудой для частотного спектра от 1,5 до 100 МГц
  • Для обеспечения необходимого закрытия глаза межсимвольные помехи дополняются синусоидальным джиттером (SJ)
  • SSC:
    • rSSC используется для реализаций на основе CC, кроме тестирования систем на основе CEM, поскольку SSC определяется тактовой частотой системы
    • SSC используется для реализаций на основе DC
  • CM-SI, только для базовых спецификаций
  • Вторичный высокочастотный тон SJ только для спецификаций CEM

 

PCI Express 8 ГТ/с


Рис. 1. Опорная точка TP2-P, определённая в спецификациях приёмника PCIe 8 ГТ/с

 

Повышенная скорость передачи практически по тому же каналу делает необходимой коррекцию приёмника, поэтому тестирование приёмника приобретает большую важность. Спецификации приёмника описываются более подробно и определяются внутри приёмника после корректоров (CTLE и DFE). Эта опорная точка называется TP2-P. Вследствие сдвига определения опорной точки, для калибровки искажённого испытательного сигнала приходится применять встраивание поведенческого пакета приёмника, а также имитацию корректирующих цепей и восстановление тактовой частоты.


Рис. 2. Пример схемы для тестирования приёмника плат расширения PCIe 8 ГТ/с

 

 

Факторы, определяющие наихудшие условия:

  • Межсимвольные помехи через внешний канал. Для тестов CEM нужна базовая плата для проверки соответствия PCI-SIG (CBB), переходник и плата нагрузки для проверки соответствия (CLB) для gen3 для длинного канала и CBB gen2 для короткого канала
  • Случайный джиттер с фильтром верхних частот 10 МГц
  • Синусоидальный джиттер, разные маски допуска джиттера для CC и SRNS/SRIS
  • SSC, только для SRIS:
    • Треугольное распределение в нижнюю сторону на 33 кГц для тестирования с предельным напряжением
    • Синусоидальное распределение в нижнюю сторону на 33 кГц для тестирования с предельным джиттером
  • DM-SI
  • CM-SI, только для базовых спецификаций

 

После улучшения физических возможностей приёмников PCIe, в процедуру обучения канала была добавлена оптимизация коррекции передатчика, которая учитывает характеристики текущего канала, передатчика и приёмника.

 

PCI Express 16 ГТ/с

PCI Express 4-го поколения будет поддерживать скорость 16 ГТ/с. Спецификации 4.0 ещё не выпущены, и в настоящее время работа над ними продолжается. Тем не менее рабочие группы PCI-SIG, работающие над версией 4.0 и спецификациями приёмника 16 ГТ/с, скорее всего, будут следовать методам калибровки приёмников 8 ГТ/с с улучшениями, направленными на повышение совместимости между разными схемами испытаний. Настройка ширины и высоты глазка по случайному джиттеру и DM-SI в процессе калибровки приёмника PCIe 8 ГТ/с в сочетании с допуском на полосу канала ±2 дБ, видимо, будет проблематичной. Схемы с меньшими потерями могут потребовать значительно большего случайного джиттера для закрытия глаза до заданных значений по сравнению со схемами с высокими потерями. Но большинство приёмников лучше справляется с межсимвольными помехами, вызванными потерями в канале, чем со случайным джиттером, и в результате две схемы измерения могут создать несовместимые условия испытаний. Для исправления этой ситуации стандарт ужесточает допуски для испытательных каналов, требуя некоторого рода настройки межсимвольных помех, например, путём выбора канальных плат с разным значением межсимвольных помех.

 

Предварительные факторы, определяющие наихудшие условия:

  • Межсимвольные помехи через настраиваемый или выбираемый внешний канал. Тестирование CEM, вероятно, потребует применения тестовой оснастки, разрабатываемой и поставляемой PCI-SIG
  • Случайный джиттер с фильтром верхних частот 10 МГц
  • Синусоидальный джиттер, разные маски допуска джиттера для CC и SRNS/SRIS
  • SSC, только для SRIS:
    • Треугольное распределение в нижнюю сторону на 33 кГц для тестирования с предельным напряжением
    • Синусоидальное распределение в нижнюю сторону на 33 кГц для тестирования с предельным джиттером
  • DM-SI
  • CM-SI, только для базовых спецификаций

 

Тестирование коррекции канала

Для тестирования новой процедуры коррекции канала, представленной в PCIe 3.0, следует создать новую категорию тестов. Эта новая категория тестов коррекции канала требует наличия в контрольно-измерительном оборудовании функций канального уровня, поскольку в этих тестах должны проверяться соответствующие каскады машины состояний обучения канала (LTSSM), которые в этом случае пропускать уже нельзя. Вместо использования интеллектуальной последовательности, которая выглядит как установка соединения с разными шагами обучения, нужно дополнить тестеры коэффициента битовых ошибок (BERT) функциями LTSSM. Классические BERT, в которых генераторы последовательностей, частотные корректоры и детекторы/анализаторы ошибок являются совершенно отдельными блоками или даже отдельными приборами, будут обладать недостаточным временем отклика, и могут вообще не справиться с этой задачей. Поэтому тестеры новых поколений объединяют все три функции в одном приборе.

 

Тесты коррекции канала могут отличаться для приёмников и передатчиков. Тесты приёмников мало отличаются от классических тестов приёмников за исключением того, что приёмник тестируемого устройства «договаривается» с передатчиком BERT о частотной коррекции и настройке предварительного подъёма характеристики, используемых для тестирования данного приёмника. Калибровка искажённого испытательного сигнала идентична классическому тесту приёмников 8 ГТ/с.

 

Тестирование коррекции канала передатчика фокусируется на двух факторах:

  • Фактическая форма сигнала, основанная на запросах партнёра по каналу. Это включает изменения фактической формы сигнала, а также гарантирует, что сигнал отвечает требованиям целевых спецификаций
  • Время реакции на запросы изменения со стороны партнёра по каналу. Оно складывается из времени логического ответа и времени физического ответа. Временем логического ответа называется время между запросом на изменение и отправкой подтверждения партнёру, тогда как временем физического ответа называется время от запроса на изменение до реального изменения формы сигнала.

 

Заключение

С каждой новой редакцией стандарт PCI Express расширяет пределы возможностей передачи данных по каналам, реализованным на платах из стеклотекстолита FR4, и поэтому приёмники постоянно усложняются. В результате приходится применять контрольно-измерительное оборудование с большим набором возможностей и более сложные схемы тестирования. Производители контрольно-измерительного оборудования вынуждены реагировать на эти новые требования. Хорошим примером является развитие систем BERT компании Keysight Technologies. Например, система J-BERT M8020A BERT наглядно демонстрирует интеграцию классических компонентов BERT в одном приборе, что позволяет получить новые возможности, такие как LTSSM, нацеленные на преодоление новых сложностей тестирования.

 


PCIe и PCI Express являются зарегистрированными товарными знаками PCI-SIG®.
MIPI является зарегистрированным в США и других странах товарным знаком MIPI, Inc.

Нейл Форсер (Neil Forcier), Keysight Technologies | Силовая электроника

Материалы с широкой запрещённой зоной (WBG), а именно карбид кремния (SiC) и нитрид галлия (GaN), обладают целым рядом преимуществ в силовой электронике по сравнению с традиционным кремнием (Si). Самым большим преимуществом является скорость переключения, за счёт которой повышается КПД преобразования энергии и уменьшаются размеры, тогда как другие преимущества включают улучшенные тепловые характеристики и более высокие напряжения (в случае SiC).

Но, несмотря на эти преимущества, распространение материалов WBG в силовой электронике наталкивается на некоторые барьеры, включая проблемы обеспечения долговременной надёжности и снижения стоимости. В этой статье мы обсудим ещё одну преграду на пути к применению материалов WBG в силовой электронике, которому уделено пока недостаточно внимания: паразитные эффекты. Паразитные элементы для устройства на основе WBG могут оказаться «Криптонитом для Супермена». Если устройство WBG окружено слишком большим числом паразитных элементов, его характеристики могут снизиться до уровня обычного устройства на основе кремния и даже хуже: такой сценарий может привести к нестабильности схемы и некорректной работе изделия.

 

Статьи на аналогичную тему

Надёжность в производстве полупроводниковых приборов с широкой запрещённой зоной (WBG)

Полупроводники с широкой запрещённой зоной: основы

Ситуация в производстве силовой электроники: сейчас это вопрос интеграции

 

Чтобы преодолеть этот барьер, разработчикам придётся использовать незнакомые им средства проектирования и измерительные приборы. А производители этих средств проектирования и приборов вынуждены адаптировать их (с аппаратной и программной точки зрения) к требованиям электронной промышленности.

Вряд ли я скажу что-то новое, если заявлю, что минимизация паразитных эффектов, особенно индуктивностей, положительно сказывается на общих характеристиках и стабильности устройства. А для устройств WBG это утверждение особенно актуально, и число паразитных элементов, которые надо учитывать, меняется по величине почти на порядок.

Инженеры компании EPC создали прекрасный документ, который поясняет отрицательное влияние сравнительно малых индуктивностей печатной платы на характеристики силовых преобразователей на основе GaN (Reusch, Strydom, 2013). В статье приведён пример того, как незначительное увеличение паразитной индуктивности (с 0,4 нГн до 1 нГн) на печатной плате может привести к значительному увеличению выброса при использовании устройств на основе GaN на частоте переключения 1 МГц. Статья, безусловно, поднимает важные проблемы и наглядно демонстрирует представления разработчиков силовой электроники о паразитных элементах. Это представление является низкочастотным и рассматривает паразитные элементы в составе схемы, как компоненты с сосредоточенными параметрами,  или, другими словами, демонстрирует "одномерный" подход. Но такой "одномерный" подход снижает эффективность проектирования и препятствует реализации полного потенциала технологий с широкой запрещённой зоной. И такой подход, конечно же, не является приемлемым как для производителей силовых полупроводниковых приборов, так и для разработчиков силовой электроники.

Сначала давайте попробуем понять, почему "одномерный" подход к паразитным элементам не применим к устройствам WBG. Скорость нарастания при переключении устройств на основе карбида кремния достигает 100 В/нс, а устройства GaN работают ещё быстрее. Такие скорости нарастания фронтов порождают широкий спектр гармоник, который может занимать несколько сотен МГц и даже больше. Это ставит разработчиков силовых приборов и силовой электроники перед двумя основными проблемами:

  1. При разработке приходится учитывать паразитные эффекты, особенно распределённые индуктивности, начиная с нескольких нГн. Проблема здесь в том, что не всегда удаётся предвидеть место, где возникнут такие паразитные элементы, особенно если ранее вы не обращали на них внимания.
  2. Как только длина волны составляющих частотного спектра начинает приближаться к размерам элементов схемы, разработчик должен учитывать зависимость импеданса от частоты, т.е. рассматривать схему с «двумерной» точки зрения. Это связано с тем, что на частоте резонанса импеданс может значительно изменяться. Теперь его нельзя считать "одномерным" статическим значением.

Рисунок. 1. Измеренная зависимость импеданса от частоты для модуля на основе SiC. (Lemmon, Graves, 2015a).

 

Чтобы рассмотреть конструкцию с «двумерной» точки зрения, разработчики должны позаимствовать инструменты у радиоинженеров (Lemmon, Graves, 2015a). Эти инструменты включают анализаторы импеданса и электрических цепей, а также программные средства моделирования, которые позволяют анализировать устройство, как цепь с распределёнными параметрами в чатотной области.

Ценность таких инструментов несомненна, как для производителей силовых компонентов и модулей, так и для разработчиков силовой электроники. Если начать с производителей, то речь идёт о достижении максимальной производительности конечного продукта и завоевании рынка. Производители вкладывают большие средства в исследования технологии WBG и не хотят, чтобы паразитные элементы корпусов или модулей сдерживали инновации и ухудшали характеристики изделий. Старые корпуса и модули, используемые для кремниевых приборов, имеют такой уровень паразитных составляющих, который делает их малопригодными для устройств WBG.

На рисунке 1 показан пример измерения импеданса модуля SiC (Lemmon, Graves, 2015a). График сравнивает смоделированные данные частотной области с результатами реального измерения, выполненного анализатором цепей с функцией анализа импеданса. Подробности измерения не столь важны. Важно то, что при достижении резонансной частоты наблюдается существенный изменение модуля и фазы импеданса. Понимание таких деталей необходимо для разработчика, планирующего использовать крутые фронты, которые могут возбудить такой резонанс (а также другие резонансы в схеме устройства). Если бы это измерение выполнялось с помощью измерителя RLC, то мы получили бы всего лишь "одномерное" представление в крайней левой точке частотного спектра. Что же касается силовых устройств на основе GaN, то многие производители уже сталкивались с проблемами паразитных элементов в конструкции корпуса. Например, компания GaN Systems разработала инновационный корпус GaNPX, а компания EPC в корне решила проблему, полностью избавившись от корпуса.

Рисунок . 2. Электромагнитная модель в САПР ADS в сочетании с дискретными элементами схемы. Щёлкните на рисунке, чтобы увидеть подробности.

С точки зрения разработчика, при использовании устройств WBG в силовых преобразователях, гармоники, генерируемые устройствами WBG, взаимодействуют с непредусмотренными паразитными элементами, что может порождать проблемы, такие как сквозные токи и осцилляции. Пренебрежение «двумерным» представлением паразитных элементов при проектировании силовой электроники заканчивается обычно одним из двух следующих вариантов:

  1. Разработчик начинает ухудшать характеристики WBG устройства, пока паразитные явления не исчезнут. Это сводит на нет все преимущества устройства WBG, заставляя его работать подобно обычному кремниевому устройству.
  2. Разработчик делает разумные предположения о возможном месте расположения паразитных элементов и пытается менять топологию печатной платы, пока не устранит проблему. Такой метод проб и ошибок существенно увеличивает стоимость разработки и время продвижения на рынок.

Зачастую в реальных условиях наблюдается некоторая комбинация этих двух вариантов, и в результате проектирование отнимает больше времени, затраты на исследования увеличиваются, а параметры получаются ненамного лучше, чем при использовании кремния. Воспользовавшись средствами проектирования, поддерживающими «двумерное» представление, такого исхода можно избежать. Например, при использовании САПР ADS, позволяющего моделировать электромагнитные поля и работать в частотной области, разработчик может представить паразитные элементы своего устройства в виде представления распределённой цепи в заданном частотном диапазоне.

Так ЭМ симулятор Momentum, входящий в состав САПР Keysight Advanced Design System (ADS), берёт топологию печатной платы и, учитывая свойства материала печатной платы и корпусов, создаёт ЭМ модель паразитных элементов структуры, позволяя обойтись без изготовления опытного образца. Эта модель становится частью общей системы моделирования. Это экономит время и деньги и исключает непродуктивные итерации “проб и ошибок”. На рисунке 2 показан типичный “символ” из САПР ADS. Этот “символ” представляет собой ЭМ модель структуры печатной платы в сочетании с дискретными элементами, которые образуют полную схему для симулятора ADS Transient Convolution Simulator. Выполняя моделирование разных вариантов топологии, можно сравнить их выходные сигналы и избежать таких проблем, как перегрузка силовых устройств, осцилляции, сквозной ток и другие нежелательные динамические эффекты.

Рисунок. 3. Самодельная тестовая оснастка для анализа импеданса силового модуля SiC (снимок из статьи Lemmon, Graves, 2015b).

До сих пор я описывал проблемы проектирования устройств на основе WBG, связанные с паразитными эффектами, просто утверждая, что разработчики силовой электроники должны использовать средства «двумерного» анализа, которыми пользуются радиоинженеры. Конечно, эти проблемы имеют и другие аспекты. Некоторую ответственность за предоставление этих средств «двумерного» анализа разработчикам силовой электроники несут сами создатели таких инструментов. Сегодня эти приборы, а также соответствующие обучающие материалы нацелены на применение в ВЧ электронике. Именно производители приборов должны заговорить на языке разработчиков силовой электроники и учесть требования форм-факторов силового оборудования. Например, синяя кривая на зависимости импеданса от частоты на рисунке 1 получена с помощью измерительной схемы, показанной на рисунке 3.

Чтобы выполнить точные, воспроизводимые измерения паразитных элементов, очень важно иметь хорошую тестовую оснастку, обеспечивающую подключение прибора к исследуемому устройству. Без хорошего интерфейса между прибором и тестируемым устройством, в результатах измерения будут преобладать паразитные элементы самого интерфейса. Производители таких решений предлагают множество высококачественных соединителей и тестовой оснастки для радиочастотной промышленности, помогая выполнять точные, воспроизводимые измерения. Тестовая оснастка, показанная на рисунке 3, создана доктором Andrew Lemmon в Университете Алабамы. На создание такой тестовой оснастки для измерения импеданса силового модуля на основе SiC пришлось потратить немало человеко-часов, и это всего лишь для того, чтобы выполнить измерение. Было бы это ВЧ устройство с коаксиальными разъёмами, можно было бы легко воспользоваться серийно выпускаемой тестовой оснасткой.

С точки зрения производства существует множество препятствий на пути внедрения устройств WBG вместо кремния. К хорошо известным препятствиям относятся стоимость и надёжность. Другое, не столь важное, но влияющее и на производителей устройств WBG, и на разработчиков конечных изделий препятствие, это паразитные эффекты топологии. Для решения этой проблемы разработчикам силовых устройств нужны программные и аппаратные средства проектирования, применяемые в ВЧ электронике, которые позволяют рассмотреть паразитные элементы в «двумерном» представлении зависимости импеданса от частоты. В то же время производители этих «двумерных» средств проектирования должны сделать так, чтобы будущие версии таких инструментов заговорили на языке разработчиков силовой электроники и учитывали требования форм-факторов силового оборудования.

Литература:

1.Reusch, David., Strydom, Johan (2013). Understanding the Effect of PCB Layout on Circuit Performance in a High Frequency Gallium Nitride Based Point of Load Converter.IEEE Xplore. Источник: http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?arnumber=6520279

2.Lemmon, Andrew., Graves, Ryan (2015). Parasitic Extraction Procedure for Silicon Carbide Power Modules. IEEE Xplore. Источник: http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=7295986

3.Lemmon, Andrew., Graves, Ryan (2015). Gate Drive Development and Empirical Analysis of 10 kV SiC MOSFET Modules. IEEE Xplore. Источник: http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=7369321

 

Потребность в широкополосных услугах связи растет в геометрической прогрессии. Когерентная обработка оптического сигнала и использование современных форматов цифровой модуляции позволяют существенно повысить пропускную способность сетей с 10 Гбит/с и 40 Гбит/с до 100 Гбит/с и еще более высоких значений. Так, например, уже созданы оптические супер-каналы как совокупность небольших более мелких оптических каналов, обеспечивающих пропускную способность 400 Гбит/с и выше. Вопрос измерительной техники для исследования когерентных оптических сетей приобретает все большую актуальность.


Детектирование оптических сигналов с амплитудной модуляцией

В отличие от предыдущего поколения высокоскоростных оптических сетей, когда использование амплитудной манипуляции для модуляции амплитуды оптической несущей на высоких скоростях передачи данных было достаточно, современные оптические каналы связи, следуя за индустрией беспроводной связи, переходят к использованию форматов модуляции более высокого порядка (рис. 1).

 


Рис. 1. Развитие пропускной способности волоконно-оптических систем связи

 

Сложные форматы модуляции выходят за рамки амплитудной манипуляции посредством кодирования информационных символов как по амплитуде, так и по фазе. В системах с амплитудной модуляцией (OOK - on/off keying) мы можем детектировать сигнал с помощью фотодиода, который преобразует оптическую мощность в электрический ток Iphoto. Возникающий в фотодиоде фототок Iphoto прямо пропорционален произведению величины оптического сигнала S на комплексно-сопряженное с ним значение S*.

 


Рис. 2. Непосредственное детектирование: фототок Iphoto содержит информацию только об амплитуде оптического сигнала


Из уравнения на рис. 2 следует, что результат содержит только амплитуду As. Ток Iphoto не несет никакой информации о круговой частоте ws и фазе Φs. Таким образом, показанный сигнал с квадратурной фазовой манипуляцией (QPSK) во временной области нельзя однозначно сопоставить с диаграммой IQ. Можно лишь сказать, что нижняя, пересекающая нуль кривая, представляет диагональные переходы между четырьмя точками созвездия, а средняя кривая – внешние переходы. Плоский сигнал соответствует случаям, когда фаза не меняется, то есть когда за символом следует такой же символ.

 

Для однозначного определения переходов между символами нужно использовать более сложные методы, обеспечивающие полное детектирование всех электрических характеристик сигнала, включая информацию о фазе. Дополнительно усложняет проблему тот факт, что в современных оптических коммуникационных системах используются длины волн, близкие к инфракрасному диапазону, например, 1550 нм, что соответствует частоте около 200 ТГц. Таким образом, скорость изменения электрического поля во времени и пространстве на несколько порядков выше скорости работы имеющихся электронных устройств, работающих в мега- и гигагерцовом диапазоне.


Когерентное детектирование оптических сигналов

Ключ к решению этой проблемы - измерение не абсолютной фазы, а фазы по отношению к известному опорному сигналу. Базовая схема такого детектора, называемого когерентным, показана на рис. 3. Смешение полезного сигнала S с опорным сигналом R позволяет измерять разность фаз. На диаграммах показан сигнал с модуляцией QPSK, смешанный с разными опорными сигналами. «Идеальный» монохроматический лазер, создающий опорный сигнал R, часто называют «гетеродином» по аналогии с радиоэлектроникой.

 


Рис. 3. Смешение полезного сигнала S с опорным сигналом R


Конечно, технология когерентного детектирования не нова, она использовалась в сфере радиовещания десятилетия назад. Благодаря ей приемник можно было настроить на прием определенной радиостанции, распознав ее среди сотен различных сигналов, передаваемых по радиоволнам. Но идея использовать когерентное детектирование для практического применения в сфере оптической передачи данных была реализована сравнительно недавно.

 

Притом что нет «стандартного» определения когерентного детектирования в сетях, например, DWDM, существуют определенные рыночные ожидания относительно номинальных признаков, характерных для развертывания решения с применением когерентных технологий: амплитудная/фазовая модуляция высокого порядка, поляризационное мультиплексирование, когерентное детектирование посредством лазера гетеродина в приемнике, высокоскоростные аналогово-цифровые преобразователи и сложные цифровые сигнальные процессоры в приемнике. Кроме наличия перечисленных ключевых признаков, когерентные технологии демонстрируют потенциал дальнейшего развития, поэтому в следующих поколениях этой технологии мы, возможно, увидим функции активного формирования сигнала в передатчике (с использованием аналого-цифрового преобразователя) и компенсацию нелинейных эффектов в оптоволокне.

 

Итак, полезный сигнал S и опорный сигнал R подаются на оптический сумматор и детектируются фотодиодом. В результате ток IPhoto будет пропорционален произведению суммы двух сигналов R+S и комплексно-сопряженной с ней величины R+S*.

 

Уравнение на рис. 3 показывает, что результат содержит разность фаз ΔΦ= ΦS-ΦR и разность частот Δω =ωS-ωR. Из значения ΔΦ мы можем получить зависимость ΦS от времени. Опорная частота ωR выбирается близкой к частоте ωS, в результате Δω теперь получается достаточно малой для электронной обработки. Фазозависимый член формулы называется гетеродинной составляющей или биением, поскольку получается в результате наложения или «биения» двух сигналов с близкими круговыми частотами.

 

Также в формуле имеется член, содержащий квадрат амплитуды, который не оказывает влияния на результат, если модулируется только фаза, а амплитуда остается неизменной, что и происходит в модуляции QPSK. Как показано на рис. 3, смешение полезного сигнала S с опорным сигналом R позволяет измерять разность фаз. На диаграммах показан сигнал с QPSK, смешанный с разными опорными сигналами. Подавить все другие фазонезависимые составляющие возможно с помощью балансного приемника. В этом случае детектируемый сигнал S и опорный сигнал R суммируются в одной ветви и вычитаются в другой ветви оптического сумматора 2x2 (в качестве которого может использоваться сумматор волоконно-оптической или атмосферной оптической линии). Каждый из результирующих сигналов детектируется своим фотодиодом. В результате получается разность между двумя фототоками.


IQ-демодуляция и когерентное детектирование

Чтобы восстановить информацию о фазе и амплитуде, когерентный приемник должен выдавать на двух отдельных выходах синфазную (I) и квадратурную (Q) составляющие. Для этого нам понадобится второй балансный детектор. Один гетеродин дает опорный сигнал для двух детекторов, но для получения составляющей Q нужно сдвинуть фазу на π/2. Блок-схема демодулятора для поляризационно-мультиплексированного сигнала приведена на рис. 4. В этом случае для получения координат I и Q используются четыре выходных сигнала, по одному на каждое направление поляризации по отношению к поляризации опорного сигнала приемника. Такая архитектура с разделением поляризации гарантирует смешение всех сигналов с сигналом гетеродина независимо от поляризации на входе. Поэтому эта схема используется очень широко и даже для сигналов, не имеющих двойной поляризации.

 


Рис. 4. IQ-демодулятор с разделением поляризации на две составляющие


Вопрос измерительной техники для исследования когерентных оптических систем передачи данных стоит на сегодняшний день очень остро, особенно при решении таких задач, как определение параметров целостности сигналов передатчиков, определение параметров гомодинных компонентов, оценка параметров компонентов сети. Принцип детектирования комплексно модулированных оптических сигналов с двойной поляризацией, иллюстрированный рис. 4, замечательно подходит для контрольно-измерительной техники, поскольку методы гетеродинного детектирования во временной области предлагают максимальную гибкость, и в отличие от детектирования в частотной области их можно использовать для детектирования в реальном масштабе времени. Следовательно, они более пригодны для «живых» сигналов в сетях передачи данных. Дискретизация в эквивалентном масштабе времени (стробоскопический метод) работает только для периодически повторяющихся сигналов ограниченной длины, например, в контрольно-измерительных сценариях.

Дискретизация в реальном масштабе времени позволяет полностью восстановить сигнал во всех областях без ограничений по формату модуляции. В методах гетеродинного детектирования во временной области отсутствуют также и ограничения на длину сигнала. В ходе обработки сигнала можно компенсировать поляризационно-модовую (PMD) и хроматическую дисперсию (CD). В этом случае пропускная способность ограничивается только обработкой сигнала. В то же время нужно помнить, что этот метод требует применения быстрого четырехканального оборудования, такого как высокопроизводительный дигитайзер реального времени с очень малыми уровнями джиттера и шума и высоким эффективным числом разрядов (ENOB) во всем частотном диапазоне.

 

В следующей статье по теме мы рассмотрим все нюансы, связанные с разработкой когерентных оптических приёмников, и постараемся дать исчерпывающий ответ на все вопросы, касающиеся этих компонентов оптических сетей, использующих когерентные передачу и прием. 

Добрый день,

Компания Keysight Technologies предлагает всем желающим принять участие в новой промо-акции. Только в течение ограниченного периода времени (до 31 декабря 2016 г.) при приобретении у официального дистрибьютора Keysight любого прибора серии B2900 с указанием промо-кода в стандартную комплектацию поставки будет включен осциллограф DSOX2002A. Узнайте подробности акции по ссылке.

О приборах семейства Keysight B2900

Прецизионные настольные приборы серии Keysight B2900A включают несколько решений для измерения и подачи питания на тестируемые устройства. В настоящее время в эту серию входят прецизионные источники питания/измерители (SMU), прецизионные источники питания с низким уровнем шумов, а также фемтоамперметры и петаомметры.
Эти приборы обладают лучшими в своем классе характеристиками по подаче и измерению тока и напряжения и обеспечивают целый ряд других функциональных возможностей. Серия B2900 может использоваться в самых различных областях — от научно-исследовательских и учебных лабораторий до производственных автоматизированных систем тестирования. При этом приборы одинаково хорошо функционируют как в автономном режиме, так и в составе систем. Узнайте о серии подробнее по ссылке www.keysight.com/find/b2900

Новое программное обеспечение поддерживает самое полное в отрасли тестирование передатчиков USB 3.1 Type-C на соответствие требованиям стандарта

 

Ключевые нововведения:

  • Всеобъемлющее и точное тестирование передатчиков
  • Добавлены тесты Gen2 SSC, SCDx/LBPM и тесты предыскажений
  • Поддержка тестов на соответствие стандарту для Type-C Gen1 и Gen2

 

Компания Keysight Technologies представила ПО проверки параметров и тестирования на соответствие стандарту передатчиков U7243B USB 3.1, которое обеспечивает самую полную поддержку для тестирования передатчиков для спецификации USB 3.1 Type-C. Это измерительное приложение позволяет разработчикам и авторизованным испытательным центрам тестировать интерфейсы USB 3.1 Gen2 SuperSpeed Plus 10 Гбит/с с разъёмом Type-C и предоставляет инженерам-испытателям средства для проверки соответствия устройств требованиям спецификаций USB 3.1 Gen2 Type-C. Решение компании Keysight для USB 3.1 обеспечивает получение точных результатов, снижая стоимость разработки и упрощая процессы измерений для производителей бытовой электроники, кабелей и полупроводниковых приборов.

 

Измерительное ПО работает на осциллографах реального времени Keysight Infiniium серии V и серии Z с полосой пропускания не менее 16 ГГц. Инженеры могут получить доступ к испытательным сигналам с помощью высокоскоростной тестовой оснастки N7015A Type-C, которой можно управлять с помощью низкоскоростной оснастки для доступа к сигналам и управления N7016A Type-C.

 

«Компания Keysight активно поддерживает организацию USB-IF и производителей устройств с интерфейсом USB, предлагая ранний доступ к контрольно-измерительным решениям и активно участвуя в семинарах, посвящённых проблемам совместимости и соответствия стандартам, – сказал Дэйв Сиприани (Dave Cipriani), вице-президент и генеральный менеджер подразделения осциллографов компании Keysight. – С выпуском спецификаций соединителей Type-C и Gen2, компания Keysight предлагает необходимые программные средства для тестирования и сертификации USB-IF, способные обеспечить необходимую пользователям совместимость».

 

Инженеры могут использовать это решение с тестовыми оснастками, одобренными форумом производителей USB (USB-IF), или с тестовыми оснастками Keysight N7015A и N7016A Type-C.

 

Дополнительная информация о тестировании на соответствие USB 3.1 компании Keysight приведена на странице www.keysight.com/find/U7243B. Информация о решениях компании Keysight для тестирования приёмников USB 3.0 приведена на странице www.keysight.com/find/usb3_rx_test.

 

Программа стандартизации цифровых измерений компании Keysight

 Решения компании Keysight для цифровых приложений разрабатываются и поддерживаются специалистами компании, принимающими участие в работе различных международных органов стандартизации. Специалисты Keysight активно работают в Объединённом инженерно-техническом совете по электронным устройствам (JEDEC), Группе PCI-SIG®, Ассоциации по стандартам в области видеоэлектроники (VESA), Международной организации Serial ATA (SATA-IO), Форуме разработчиков USB (USB-IF), Альянсе мобильных промышленных процессорных интерфейсов (MIPI®), Комитете по стандартам Ethernet (IEEE 802.3), Форуме по организации оптических сетей (OIF) и многих других. Компания Keysight активно сотрудничает с комитетами стандартизации и принимает участие в соответствующих симпозиумах, плагфестах и семинарах, стремясь к тому, чтобы ее контрольно-измерительные решения всегда соответствовали постоянно растущим требованиям заказчиков.

 

О программном обеспечении Keysight

 Программное обеспечение Keysight объединяет в себе весь опыт компании в области проектирования и контрольно-измерительных технологий. ПО Keysight позволяет инженерам быстрее принимать правильные решения на основе исходных необработанных данных на всех этапах создания изделия – от первого моделирования до поставки заказчику. Дополнительная информация приведена на странице www.keysight.com/find/software. Загрузить бесплатные пробные версии ПО можно по ссылке www.keysight.com/find/free_trials.

 

# # #

 

USB Type-CTM и USB-CTM являются зарегистрированными товарными знаками организации USB Implementers Forum.

PCI-SIG, PCI Express, PCIe и M-PCIe являются зарегистрированными товарными знаками организации PCI-SIG.