Una nuova sfida all’integrità di segnale

STRUMENTAZIONE –

Il dover mantenere l’integrità del segnale trasferendo Gigabit di dati lancia nuove sfide al collaudo.

È ormai ben documentato come molte delle architetture parallele utilizzate nei computer per il trasferimento dei dati, siano state sostituite da flussi seriali di dati trasmessi a velocità dell’ordine dei Gigabit al secondo. Esempi in tal senso includono i collegamenti per le schede grafiche (da Pci a Pci Express) e le comunicazioni con le memorie di massa per l’archiviazione dei dati (da Parallel Ata a Serial Ata). Da lungo tempo l’industria delle telecomunicazioni ha avuto a che fare con queste velocità elevate, però senza essere stata costretta a far fronte a dei vincoli così severi. Per riuscire a progettare mantenendo un prezzo competitivo e sempre più basso, gli standard per i bus seriali non possono permettersi il lusso di utilizzare i materiali esotici impiegati da tempo nelle tecnologie a microonde e non sono nemmeno in condizioni di potersi permettere delle prestazioni con ampi margini di tolleranza per far si che i collegamenti funzionino sempre e comunque in modo affidabile. Solo un decennio o due fa, dei segnali con queste componenti di frequenza sarebbero stati trasmessi utilizzando delle guide d’onda, ma i progettisti dei nostri tempi hanno dovuto essere molto creativi per farli transitare attraverso i materiali con i quali oggi sono realizzati i vari tipi di circuito stampato di una normale motherboard.

Le implicazioni per il collaudo
Due sono i principali tipi di collaudo: la verifica della conformità e la ricerca dei guasti.

• Collaudo di verifica della conformità dei trasmettitori - La natura del collaudo di conformità muta in funzione dell’evoluzione dei segnali e inoltre i margini disponibili si sono ridotti. Il collaudo di conformità dei trasmettitori che operano a velocità dell’ordine dei Gigabit è stato tradizionalmente effettuato tramite l’uso di un oscilloscopio a campionamento e di una maschera applicata ad un diagramma ad occhio. Ciò nonostante sia stato provato come questi siano degli indicatori delle prestazioni di sistema inadeguati e inoltre sia sempre più comune per le normative il richiedere che i collaudi siano superati al livello di Ber che ci si attende il sistema riesca a ottenere. Tutto ciò va ben oltre quello che un semplice oscilloscopio a campionamento è in grado di verificare. Una seconda area di interesse nel collaudo di un trasmettitore è relativa alla ingegnosità delle tecniche escogitate per superare i limiti imposti dalle caratteristiche dei materiali usati nelle schede a basso costo. Per gli stadi di uscita dei trasmettitori è sempre più comune l’impiego della tecnica di aumentare il contenuto ad alta frequenza del segnale per compensare le perdite dipendenti dalla frequenza dovute alle caratteristiche dei materiali. Però usando questi segnali de-enfatizzati, il primo bit di una sequenza di bit identici ha una ampiezza maggiore di quella dei bit che seguono e quindi sono necessari dei collaudi separati da effettuarsi con maschere diverse per verificare il primo bit e poi i successivi bit de-enfatizzati.

• Test di conformità del ricevitore - Ci sono dei cambiamenti in atto anche nel collaudo dei ricevitori. Sebbene nelle telecomunicazioni tradizionalmente si verificasse la funzione di recupero del clock di un ricevitore in presenza di jitter sinusoidale, in buona sostanza sui bus seriali si è cercato di evitare il collaudo del ricevitore, per quanto possibile. Con le frequenze in gioco che raggiungono i 5 Gb/s questo semplicemente non si può più fare.
Laddove il collaudo nelle telecomunicazioni era focalizzato solo sulla verifica della funzione di recupero del clock di un ricevitore, le normative più recenti richiedono che la decisione relativa al superamento o meno di un test sia presa anche in considerazione di altri elementi che concorrono alla chiusura dell’occhio in condizioni di stress, spesso fino ad imporre l’impiego di una complessa formula di collaudo.

• Schemi di clocking – Un altro settore che sta ottenendo un’attenzione se possibile ancora maggiore è quello della distribuzione dei clock nelle architetture dei bus seriali. I collegamenti per telecomunicazioni con velocità dell’ordine dei Gigabit hanno tradizionalmente usato uno schema che prevedeva che il clock fosse integrato in ogni flusso di dati, avendo una funzione dedicata al recupero del clock medesimo. Gli standard adottati nell’industria dei computer hanno impiegato questa architettura, ma anche altri sistemi di clock di tipo avanzato e distribuito. Per questi ultimi sono richiesti dei metodi di collaudo differenti. Un parametro chiave per i sistemi dove una bassa velocità di clock (ad esempio 100 MHz) è moltiplicata fino a raggiungere velocità di Gigabit al secondo è quello di misurare la larghezza di banda e il peaking del Pll (Phase Locked Loop). Siccome moltissime motherboard funzionano in ambienti ostili che “sporcano” il segnale di clock in ingresso, è importante che il moltiplicatore sia capace di limitare il jitter e questa capacità deve essere accuratamente misurata. Come ausilio per la ricerca delle cause dei malfunzionamenti, è utile misurare anche lo spettro del jitter sia del clock, sia dei dati, per valutare i valori di jitter determinati entro varie e diverse bande spettrali. Una nota finale sul clocking riguarda l’ormai ben noto clocking a spettro allargato o Ssc (Spread Spectrum Clocking) usato per evitare di contravvenire alle norme della Federal Communications Commission sulle interferenze elettromagnetiche. L’idea di base consiste nell’aspettativa che sovraeccitando la frequenza di clock del sistema con un modulazione di circa 30kHz, si riduca l’emissione misurata, sebbene la potenza istantanea rimanga invariata. La nostra esperienza al riguardo delle verifiche dei dispositivi dotati dello Ssc è che questo può rivelarsi una fonte regolare di fallimenti nel superare i test di conformità previsti. Di conseguenza diventa molto utile riuscire ad esaminare direttamente come funziona la modulazione per verificarne l’efficacia effettiva.

• Ricerca delle cause dei malfunzionamenti - Nelle prime fasi dello sviluppo di un nuovo prodotto, e anche in seguito qualora si siano scoperti dei problemi inerenti la conformità, diventa vitale essere in grado di indagare in profondità sulle cause di questi problemi. Noi abbiamo potuto verificare numerosi casi reali, nei quali le misure del Ber (Bit error ratio) si sono rivelate essenziali per riuscire a scoprire per intero per quale motivo le cose non andavano come dovevano. Un esempio in tal senso è quello di un circuito integrato di memoria che ha evidenziato dei problemi quando la procedura di collaudo stava verificando la sua capacità di funzionare anche con un basso livello di alimentazione. Una sezione logica interna iniziò a bloccarsi con la tensione ridotta, però lo stadio di uscita del chip continuava a funzionare correttamente. Il risultato fu che la forma d’onda in uscita rimaneva inalterata, e quindi il fatto che il perfetto diagramma a occhio visibile sullo schermo fosse composto da dei bit che erano semplicemente tutti sbagliati non sarebbe mai stato notato in una misura eseguita con il solo oscilloscopio. Analogamente, noi abbiamo aiutato dei clienti a risalire alle cause dei malfunzionamenti dei loro dispositivi facendo misure dell’occhio in condizioni di sovrasollecitazione mediante delle soluzioni alternative a quelle impiegate dai loro sistemi di collaudo – un altro esempio del valore intrinseco delle misure approfondite.

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