Analisi della qualità del segnale per tecnologie di trasmissione di prossima generazione

La recente diffusione di smartphones e applicazioni di cloud computing sta determinando una crescita esponenziale del traffico nei data center. Per trasferire questi grandi volumi di dati ad alta velocità, gli standard di comunicazione Ethernet stanno progredendo con la diffusione di apparecchiature 100GbE, e con il 400GbE già destinato ad essere lo standard di prossima generazione.

Le tendenze che stanno guidando i settori Telecom e Datacom, e quindi i requisiti per le apparecchiature di test e misurazione, possono essere riassunte nelle seguenti categorie:

1. Maggiore velocità, dimensioni ridotte e minore consumo di energia sono i fattori guida principali per le interfacce ottiche di leaf e spine switch su server e dispositivi di archiviazione di fascia alta.

2. Miglioramenti di interfacce per apparecchiature di interconnessione ad alta velocità, compresi dispositivi avanzati a semiconduttori, schede di interfacce di rete e moduli ottici per comunicazioni 25GbE, 50GbE, 100GbE, 200GbE e 400GbE.

3. Lo standard PCIe Gen4 (16GT/s) per bus/backplane delle schede di rete, che è stato appena ratificato.

4. Trasmissione PAM4 (pulse amplitude modulation), che viene progressivamente e ampiamente adottata per aumentare la velocità di trasmissione dei sistemi 50G / 200G / 400GbE, e probabilmente in futuro per migrare verso soluzioni di prossima generazione per altre interfacce standard come Infiniband, Thunderbolt e PCIe Gen5.

Di conseguenza, sia i produttori di apparecchiature di rete che le industrie dei semiconduttori si stanno concentrando sulla integrazione di connettività high-speed serial bus e high-speed Ethernet sulle stesse schede e chipset, richiedendo così capacità di verifica e convalida per tutte le tecnologie correlate. Dal punto di vista di test e misurazione, la necessità più importante oggi è la capacità di valutare l'integrità del segnale per la ricerca e sviluppo sui sistemi PAM4 nei settori dei semiconduttori e dei moduli ottici, oltre alla capacità di testare simultaneamente più canali di segnale e con funzioni di test aggiuntive in aree come pre-enfasi PAM4, equalizzazione del segnale, e la verifica della jitter tolerance (Figura 1).

Fig.1 - Settori di mercato e trend tecnologici
Telecom: baud-rate 56G, PAM4 modulation, multi-channel e BER con equalizzazione e FEC
Server/storage: Analisi congiunta di 100GbE e BUS Link Training per interconnessioni elettriche
HS-BUS: Aumento di bit rate (PCIe-G4) per server backplane, e supporto per USB Type-C e TBT-3

Soluzione all-in-one

Tradizionalmente, le sfide presentate da questi requisiti così grandemente diversi sarebbero state affrontate utilizzando strumenti discreti per gestire i diversi ambienti di test di ciascun settore applicativo. Ora, tuttavia, stanno emergendo soluzioni all-in-one che eseguiranno misurazioni accurate su dispositivi elettronici e ottici di elevata velocità, di nuova generazione, inclusi moduli e transceiver ottici utilizzati nei server di fascia alta e nelle apparecchiature di comunicazione per applicazioni M2M e IoT.

Un esempio tipico di queste soluzioni è il sistema mostrato in Figura 2, che si basa su un BERT (Bit Error Rate Tester) di elevate prestazioni in grado di valutare con precisione i progetti di interfacce ad alta velocità durante la loro fase di ricerca e sviluppo. Questo strumento è in grado di misurare le prestazioni delle interfacce network-side alle velocità di 400 GbE, 200 GbE e 100 GbE, nonché interfacce bus PCI Express interne, per velocizzare i tempi di valutazione del progetto e ridurre il costo complessivo del test. Ora è possibile affrontare tutti i requisiti di test emergenti per i settori telecomunicazioni, data center e storage network, oltre ai segmenti di serial Bus ad alta velocità, sulla stessa piattaforma multicanale. Questo in base ad un approccio modulare che combina un'unità mainframe con diversi moduli plug-in che supportano più applicazioni tramite una gamma di opzioni hardware e software, portando ad una soluzione che offre così flessibilità nel tempo e un importante ritorno a lungo termine sull'investimento.

Fig.2 - L'analizzatore di qualità del segnale Anritsu SQA MP1900A basato su una piattaforma BERT (bit error rate tester tester) ad elevate prestazioni

Precisione e affidabilità

Come esempio di precisione ed affidabilità nei risultati di misurazione forniti da questa più recente generazione di strumenti di test, il generatore di pattern ha un jitter intrinseco tipico di 115 fs RMS, oltre ad un tipico Tr / Tf di 12 ps. Le altre specifiche chiave includono un jitter picco-picco di 6 ps massimo (tipico) ed una sensibilità tipica del rilevatore di errore di 15 mV. A complemento di queste elevate prestazioni ci sono il supporto per test multicanale integrato fino a 16 canali 32 Gbps e funzionalità multiple che migliorano la precisione e l'efficienza. Ad esempio, una funzione di link negotiation, che supporta standard di interfaccia digitale ad alta velocità, collega lo strumento di test al dispositivo sottoposto a test per una migliore valutazione dell'interfaccia del bus. Gli ingegneri possono utilizzare questa funzione per condurre test da PCI Express Gen 1 a Gen 4 oltre al futuro Gen 5, e analisi dello stato LTSSM, e simultaneamente generare jitter e CM/DM noise injection. La funzione di misurazione del jitter valuta l'integrità del segnale, mentre a funzione di pre-enfasi a 10Taps e la funzione di equalizzazione del segnale ricevuto permettono di caratterizzare i segnali di test in funzione dellae perdita generate dal percorso di trasmissione. Il sistema di test può anche essere configurato con apparecchiature periferiche per una maggiore flessibilità nelle misurazioni. Ad esempio, una soluzione che unisce il tester BERT integrato con altri strumenti può supportare la generazione dei segnali PAM4 32 Gbaud e fino a 64 Gbaud, necessari per applicazioni 200 GbE e 400 GbE, con relative misurazioni di BER, tolleranza a jitter e noise injection, e impostazione automatica di pre-enfasi, per un supporto versatile a prova di necessità di test future.

Soluzioni collaborative a prova di futuro

La facilità nell'aggiungere opzioni hardware e software all'ultima generazione di strumenti di test si traduce nella possibilità di adeguarsi agli sviluppi futuri nei vari standard di comunicazione, mano a mano che questi verranno aggiornati. Allo stesso modo, diventa semplice integrare l'analizzatore BERT con altri tipi di apparecchiature di test di qualità del segnale, per fornire soluzioni integrate per specifici requisiti dei nuovi standard di test. Un esempio di questo approccio è fornito dalla collaborazione tra Anritsu e Teledyne LeCroy per fornire una completa soluzione di test PCI Express® 4.0 (PCIe Gen4), integrando l'analizzatore di qualità di segnale Anritsu MP1900A con l'oscilloscopio Teledyne LeCroy LabMaster 10Zi A e il software QPHY PCIe4 Tx Rx (Figura 3).

Fig.3 - Soluzione per test PCI Express® 4.0 (PCIe Gen4)

Questo sistema fornisce una soluzione completa per condurre test automatizzati della conformità di trasmettitori e ricevitori, oltre alla verifica di link equalisation. La soluzione Anritsu/Teledyne LeCroy può essere facilmente estesa a 32 Gbit/s, rendendola la prima soluzione end-to-end pronta a soddisfare i requisiti PCI Express 5.0 (PCIe Gen5). Il sistema supporta anche i test PCI Express 3.0 (PCIe Gen3) per transmitter, receiver e link equalisation, per una completa copertura dell'ecosistema PCI Express. L'oscilloscopio Teledyne LeCroy fornisce la necessaria larghezza di banda di 25 GHz per i test di calibrazione PCIe Gen4 transmitter e receiver, e può essere aggiornato in larghezza di banda per supportare standard seriali di prossima generazione a 32 Gbit/s e oltre. LabMaster 10 25Zi A e la relativa opzione software QPHY PCIe4-Tx-Rx eseguono tutta la necessaria automazione e controllo per i test PCIe Gen4 transmitter, receiver, e link equalisation in combinazione con l'analizzatore Anritsu, inclusa la calibrazione completamente controllata e automatizzata dal pacchetto software. Il debug di interfacce PCI Express è semplice ed intuitivo con strumenti di analisi eye diagram e jitter integrati e decodifica PCI Express con analisi grafica della forma d'onda e analisi tabellare di tutti i dati di verifica in base allo standard. Questa soluzione combinata riempie il vuoto di mercato per un completo sistema di test PCIe Gen4 physical layer che può essere facilmente esteso a PCIe Gen5 mentre il mercato evolve verso tecnologie per reti a velocità sempre maggiore. PCIe Gen4 rappresenta una sfida significativa per i progettisti e questo sistema congiunto utilizza due strumenti, riferimenti di mercato, per la misurazione e convalida di precisione delle prestazioni di prodotto in conformità con gli standard PCI-SIG. Inoltre, poiché PCIe Gen5 dovrebbe emergere entro uno o due anni, questa solutione protegge anche i relativi investimenti, permettendo un percorso di aggiornamento chiaro ed efficiente che aiuterà a controllare il costo dei test futuri.

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