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Análisis de la correlación: medidas del jitter con osciloscopios en tiempo real y de muestreo

Introducción

 

“¿Por qué no coinciden las medidas del jitter que tomo con el osciloscopio en tiempo real y el de muestreo?” 

Las compañías de prueba y medida a menudo escuchan esta pregunta con alguna que otra variación. A pesar de que las compañías de prueba y medida se esfuerzan por garantizar que sus equipos efectúen medidas precisas que coincidan entre los diferentes instrumentos, surgen discrepancias. Realizar la misma medida en dos plataformas de medida distintas puede generar resultados dispares que exijan una explicación y/o corrección. Estas cuestiones a menudo se ven exacerbadas al realizar las mismas medidas en equipos de prueba que inherentemente tienen arquitecturas distintas. Los usuarios de osciloscopios deben tener en cuenta que los osciloscopios en tiempo real y de muestreo presentan diferencias fundamentales en cuanto a su forma de realizar el muestreo y análisis de los datos de formas de onda al configurar medidas e interpretar los resultados. Para las medidas del jitter en concreto, separar el jitter en componentes hasta tasas de error de bits (BER) bajas en un osciloscopio no es una medida directa, sino más bien una extrapolación de los datos adquiridos, lo cual por sí mismo ya puede introducir algún error. 

En el pasado, estas discrepancias entre los osciloscopios en tiempo real y de muestreo eran en su mayoría insignificantes, ya que unas velocidades de datos más bajas significaban mayores márgenes de diseño. Por ejemplo, una señal de 1 Gbps tiene un intervalo de unidades de 1.000 ps. 10 ps adicionales de jitter en la medida representan tan solo un 1 % del intervalo de unidades. Es poco probable que ello provoque fallos de cumplimiento o haga activar una alerta roja. A 28 Gbps el intervalo de unidades ha cerrado a 36 ps, con el convencimiento firme de evitar hasta el último picosegundo de margen. Las discrepancias de medidas entre instrumentos fácilmente pueden generar resultados no concluyentes e ir acompañados de incertidumbre y frustración.  A pesar de estas dificultades, es posible lograr sistemáticamente una buena correlación de la medida del jitter entre osciloscopios en tiempo real y de muestreo. En este artículo repasaremos los principales factores que influyen en la correlación de la medida del jitter. En primer lugar, empezaremos por revisar las diferencias entre las arquitecturas de los osciloscopios en tiempo real y de muestreo.

 

Arquitecturas de los osciloscopios 

      

Si bien ambos son osciloscopios y, por lo tanto, pueden mostrar y analizar formas de onda respecto al tiempo, hay diferencias fundamentales en la manera en que los osciloscopios en tiempo real y de muestreo realizan el muestreo y la reconstrucción de la señal de entrada. Estas diferencias son importantes a la hora de comprender los puntos fuertes y las limitaciones de cada instrumento, así como las discrepancias en las medidas que se producen entre ambos. En la figura 1 se muestran diagramas de bloques simplificados de un osciloscopio en tiempo real y un osciloscopio de muestreo. 

Cabe destacar algunas diferencias fundamentales entre estas arquitecturas:

1. Velocidad de muestreo: un osciloscopio en tiempo real debe efectuar el muestreo de la forma de onda lo suficientemente rápido como para poderla reconstituir fielmente tras un solo disparo en tiempo real. Eso significa que las velocidades de muestreo del convertidor de digital a analógico (ADC) deben ser más rápidas que dos veces el componente de frecuencia más alto de la señal, lo cual obedece a la teoría de muestreo de Shannon-Nyquist. Aunque actualmente los osciloscopios en tiempo real superan los 60 GHz de ancho de banda, ello requiere unas velocidades de muestreo del ADC extremas. En el momento de redactar este artículo, los ADC más rápidos ofrecen 160 Gmuestra/s en un único canal de un osciloscopio en tiempo real. Una velocidad de muestreo tan rápida convierte al osciloscopio en tiempo real en un instrumento de uso general extraordinariamente potente y flexible. El osciloscopio puede capturar formas de onda de baja probabilidad de ocurrencia en un solo disparo que un osciloscopio de muestreo no podría medir de forma fiable.  Un osciloscopio de muestreo, sin embargo, efectúa el muestreo de la forma de onda en “tiempo equivalente”. El osciloscopio analizará varias pasadas de la señal de entrada y tomará una muestra durante cada pasada. El procesador de adquisición dispara el muestreador para producir un pulso muy corto y efectuar así el muestreo de la forma de onda. Esta muestra pasa a continuación a través de un amplificador para escalarla al rango de entrada del ADC antes de que sea digitalizada. Tomando diversas muestras de este tipo con una resolución de tiempo muy precisa, la forma de onda se puede reconstruir con precisión. Desde un punto de vista crítico, el ancho de banda viene determinado por la amplitud del pulso de la muestra y la precisión de tiempo de la muestra, y no la velocidad de muestreo del ADC. Los osciloscopios de muestreo con anchos de banda de hasta 90 GHz utilizan ADC que toman muestras a decenas de cientos de Kmuestra/s. Ello, en combinación con la eliminación del atenuador en la interfaz de un osciloscopio en tiempo real, suele hacer posible que el osciloscopio de muestreo tome muestras con menor ruido y mayor resolución vertical. 

2. Captura de reloj: un osciloscopio de muestreo requiere un reloj externo o bien circuitos de captura de reloj de hardware independientes. En cambio, un osciloscopio en tiempo real realiza el muestreo lo suficientemente rápido como para capturar un reloj en el software a partir de los datos de forma de onda digitalizados. Esto proporciona mayor flexibilidad en los ajustes de captura de reloj al efectuar medidas de jitter.

3. Disparo: la arquitectura del osciloscopio en tiempo real contempla la posibilidad de tener los circuitos de control del disparo directamente desde el preamplificador. Ello ofrece opciones de disparo extremadamente robustas y flexibles para que el usuario pueda disparar con precisión en el comportamiento de la señal deseado. Por su naturaleza de tener que construir la forma de onda reconstruida más lentamente, un osciloscopio de muestreo ofrece opciones de disparo relativamente básicas.

 

Captura de reloj

 

El jitter debe medirse respecto a un reloj de referencia. Se puede proporcionar como referencia un reloj distinto o, en muchos casos, el reloj de referencia se captura de la señal de datos transmitida. Al configurar una medida de jitter, a menudo conviene que el osciloscopio emule el comportamiento de captura de reloj del receptor de datos para aislar el transmisor de datos y el canal durante las pruebas. En este sentido, muchos estándares digitales de alta velocidad especifican los ajustes de captura de reloj que deben utilizarse al efectuar comprobaciones de los dispositivos. Entre los métodos de captura de reloj más habituales, está el lazo de enganche de fase (PLL). Hay matices importantes en la configuración de la captura de reloj PLL que pueden tener un impacto muy significativo en los resultados de las medidas del jitter: el orden, el ancho de banda del lazo y el factor de amortiguamiento.  

El reloj de referencia ideal sin jitter no existe. Cuando se utiliza un PLL para capturar un reloj, parte del jitter de la señal de datos original se transfiere a la señal del reloj. Una manera ilustrativa de ver esta transferencia de jitter consiste en representar la función de transferencia de jitter (JTF) y la función de transferencia de jitter observada (OJTF) respecto a la frecuencia (figura 2). El PLL puede considerarse un filtro de paso bajo que establece qué frecuencias de jitter de la señal de datos se transfieren al reloj de referencia. La respuesta del filtro de paso bajo puede verse en la JTF de la figura 2. El orden del PLL determina el comportamiento de roll-off del filtro (20 dB/dec para el primer orden, 40 dB/dec para el segundo orden, etc.). El ancho de banda del lazo es el punto de 3 dB en el roll-off del filtro. El factor de amortiguamiento determina cuántos picos se producen en la respuesta del filtro. Para un PLL con ancho de banda del lazo de 10 MHz, una aproximación razonable es asumir la transferencia de un jitter inferior a 10 MHz al reloj de referencia, mientras que el PLL filtrará un jitter superior a 10 MHz. Además, unos picos significativos en la JTF pueden hacer que la banda de jitter que se alinea con la respuesta pico se amplifique en el reloj de referencia.

¿Cómo afecta este extremo a la medida del jitter en la señal de datos? Dado que el jitter se mide en relación con el reloj de referencia capturado, cualquier jitter que se transfiera al reloj de referencia será “alejado” de la medida de jitter resultante. Ello da lugar a la función de transferencia de jitter observada (OJTF), la representación de color rosa que se muestra en la figura 2. La OJTF es un filtro de paso alto que indica qué jitter, presente en la señal de datos, será observado por el receptor u osciloscopio.   

Al configurar una comparación de medidas de jitter en un osciloscopio de muestreo y un osciloscopio en tiempo real, es sumamente importante utilizar el mismo orden de PLL, ancho de banda del lazo y factor de amortiguamiento en ambas plataformas para lograr la correlación. La forma en que se especifican estos ajustes de PLL puede convertirlo en todo un reto, especialmente en cuanto al ancho de banda del lazo. Algunos estándares digitales de alta velocidad especifican el ancho de banda del lazo de la JTF y otros especifican el ancho de banda del lazo de la OJTF. Además, los osciloscopios también difieren en cuanto al ancho de banda del lazo predeterminado especificado para la captura de reloj. Aunque los anchos de banda del lazo de las funciones de respuesta de la JTF y la OJTF son los mismos para los PLL de primer orden, no es el caso de los PLL de orden superior, incluido el lazo de segundo orden utilizado con mayor frecuencia. De hecho, para un PLL de segundo orden, la norma general aproximada es que el ancho de banda del lazo de la JTF equivale a dos veces el ancho de banda del lazo de la OJTF. Esta diferencia en la cantidad de jitter de baja frecuencia que se aleja de la medida puede tener resultados espectaculares en la correlación de la medida del jitter. El usuario debe estar muy atento para saber qué ancho de banda del lazo especifica su estándar y qué ajuste tiene su osciloscopio.     

 

Ruido, velocidad de flanco y ancho de banda

 

En cualquier medida, el propio osciloscopio aportará algo de ruido y jitter a la señal. Naturalmente, ello puede tener un efecto significativo en los resultados de medida del jitter. Además, las diferencias entre instrumentos en cuanto a su contribución al ruido y al jitter pueden tener como resultado medidas que no se correlacionen. Hay una relación intrínseca entre el nivel de ruido del osciloscopio, el ancho de banda de la medida, las velocidades de flanco de la señal sometida a prueba y el jitter que aporta el osciloscopio a la medida. Cuando un osciloscopio captura una forma de onda, el nivel de ruido se superpone a la señal medida. Durante una transición de bits, el ruido vertical del flanco no solo produce un desplazamiento vertical de la forma de onda, sino también un desplazamiento horizontal que contribuye a medir el tiempo de jitter. Cuanto más rápidas sean las velocidades de flanco de la señal, menos ruido vertical se convertirá en jitter horizontal. Unas velocidades de flanco más lentas son mucho más susceptibles a esta conversión “AM a PM”. Por lo tanto, es importante medir las señales de datos con un ancho de banda suficiente para asegurarse de que el osciloscopio no ralentice las velocidades de flanco medidas. Este requisito de ancho de banda a menudo es más importante que la visión tradicional del ancho de banda del osciloscopio que permite la captura de los armónicos de orden superior. Por otro lado, medir señales con mayor ancho de banda del osciloscopio aumenta el ruido de RMS de AC de banda ancha que el osciloscopio aporta a la señal. Por lo tanto, lo mejor es utilizar osciloscopios que ofrezcan el menor nivel de ruido y nivel de medida de jitter posible (figura 3) y medir las señales con el ancho de banda justo suficiente para garantizar la captura precisa de las velocidades de flanco. 

Tal y como se ha comentado anteriormente en este artículo, las diferencias entre los osciloscopios de muestreo y los osciloscopios en tiempo real a menudo tienen como resultado un nivel de ruido inferior para la arquitectura de los osciloscopios de muestreo. Al comparar las medidas de jitter de diversas plataformas de osciloscopios, hay que tener en cuenta las posibles diferencias en el ruido intrínseco y las prestaciones de jitter del osciloscopio a la hora de determinar hasta qué punto se correlacionan las medidas.       

 

Diafonía

 

El modo en que los osciloscopios gestionan el jitter inducido por diafonía también puede provocar importantes disparidades en las medidas del jitter. Un análisis detallado de la taxonomía del jitter y su medida requeriría por sí mismo la dedicación de diversos artículos. 

A efectos de esta discusión, el “algoritmo espectral” tradicional por el cual la mayoría de los osciloscopios extraen el componente aleatorio del jitter exagera significativamente el jitter aleatorio (RJ) de señales sujetas a diafonía. Ello no solo tiene como resultado una medida equivocadamente elevada del jitter aleatorio sino que, al combinar los componentes del jitter para calcular el jitter total (TJ), uno de los términos es 14*RJ (para una tasa de error de bits de 10^-12). Por lo tanto, cualquier error en el RJ produce un error 14 veces mayor en el TJ. 

 Algunos osciloscopios ofrecen actualmente un segundo algoritmo que realiza un ajuste de cola del histograma de jitter para extraer exclusivamente el RJ antes de separar el componente de jitter producido por diafonía. De hecho, algunos estándares, como Thunderbolt, ahora requieren medidas de diafonía utilizando estos algoritmos de ajuste de cola como parte de las pruebas de cumplimiento de estándares. Por supuesto, pueden surgir problemas de correlación. La comparación de una extracción espectral y de ajuste de cola puede generar resultados muy diferentes, como se muestra en la figura 4. Además, estos algoritmos de ajuste de cola pueden ser sensibles a la cantidad de datos que adquiere el osciloscopio y las diferentes implementaciones pueden generar discrepancias. Al comparar medidas de jitter entre osciloscopios, asegúrese de tener en cuenta el algoritmo de extracción del RJ utilizado y cualquier otra fuente de diafonía que pudiera estar presente.  

 

Conclusión

 

Si bien hay herramientas que agilizan y facilitan la configuración de las medidas del jitter en un osciloscopio, hay muchos detalles importantes que pueden tener un efecto significativo en los resultados de la medida. A menudo estos detalles se hacen más evidentes al comparar resultados de jitter entre diferentes plataformas de osciloscopios. 

Ajustes como la captura de reloj, el ancho de banda del osciloscopio y el algoritmo de extracción del jitter aleatorio pueden provocar medidas de jitter divergentes en la misma señal de datos. 

El usuario del osciloscopio debe tener la precaución de medir realmente “manzanas con manzanas” y tener en cuenta las diferencias intrínsecas de ruido y jitter entre los instrumentos para lograr una correlación de la medida del jitter fiable. 



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