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Cómo eliminar los errores de jitter. Una explicación sobre las pruebas de tolerancia de jitter en Super Speed USB 3.0

La tolerancia de jitter o fluctuación en un receptor Super Speed USB 3.0 puede comprobarse con un generador de forma de onda y un osciloscopio para enviar datos al receptor SS (Super Speed). Los datos se reenvían de vuelta el instrumento mediante el transmisor. Un generador de datos y un analizador pueden hacer el mismo trabajo. Los datos recibidos se pueden comparar a continuación con los datos generados para contar los errores. El generador de datos también puede introducir jitter en la el patrón de datos del transmisor para comprobar el funcionamiento del receptor.

Procedimiento de prueba

Las conexiones desde el generador de datos al dispositivo sometido a prueba (Device Under Test, DUT) están descritos por el USB-IF en la Electrical Compliance Test Specification. Los conectores SMA del generador de datos deberían conectarse a un banco de ensayo de USB-IF con una pista de la placa de 28 cm (dispositivo) o 12,7 cm (host) hasta un conector estándar USB3. Desde ese conector se puede conectar un cable USB 3.0 a otro banco de ensayo USB-IF que divide las señales transmitidas del DUT al analizador de datos a través de los cables SMA y combina las señales transmitidas y recibidas hasta un conector USB estándar para conectarse al DUT. Es importante que los cables SMA adapten la fase y la atenuación y se conecten a las tarjetas de prueba con el par adecuado (0,56Nm).

Para la preparación del bucle, el generador de datos inicia cada prueba configurando el puerto SS para que entre en el bucle (Figura 1). En primer lugar el generador de datos transmite señales periódicas de baja frecuencia (low frequency periodic signals, LFPS) para imitar las comunicaciones SS. El DUT responde entonces con un reconocimiento de la señal LFPS. El generador de datos transmite la señal de secuencia de preparación (training sequence, TSEQ) aplicando el ruido adecuado. Esto permite que el DUT forme la señal TSEQ y adapte los filtros internos para lograr las mejores prestaciones.

Luego el generador de datos transmite el conjunto ordenado de la secuencia de preparación con el bit de bucle habilitado (TS1). El DUT responde con TS1 o TS2 mientras se prepara y envía ocho señales TS2 o TS1 cuando ha finalizado. El generador de datos transmite TS2 también con el bucle preparado 16 veces o más y el DUT responde con patrones idénticos de TS2. Finalmente, el generador de datos se prepara para los paquetes de datos y el DUT está en el bucle. Para la prueba de ruido, cuando el DUT ya está preparado, el generador generará un patrón de datos aleatorios durante unos seis segundos. El DUT introduce en el bucle los mismos datos y se comparan ambos conjuntos de datos; solo se permite un error. La prueba se repite entonces para cada perfil de ruido.

Calibración

Antes de que se pueda ejecutar la prueba el sistema se ha de calibrar y este procedimiento contiene numerosos pasos y muchas fuentes de error. Siempre es importante comprobar y confirmar la calibración antes de iniciar cualquier prueba de conformidad.

La calibración de desacentuación (de-emphasis) se realizar de distinta forma en diferentes productos de prueba. Aunque la propia prueba fundamental es la misma en todas las plataformas, cada proveedor de prueba utiliza sus propias herramientas para calcular la desacentuación.

En este caso, el generador de datos se conecta directamente a un osciloscopio a través de cables SMA cortos. Entonces el osciloscopio mide la desacentuación en un paquete grande de datos aleatorios, generalmente 20μs de una señal de 5GHz. A continuación se calcula y se ajusta la desacentuación para asegurar que esté dentro de la especificación de -3 dB.

Esta calibración de la desacentuación es importante porque la forma de onda cambia en la pista de la placa y los 3 m de cable de prueba, lo que afecta a la calidad del ojo visto por el receptor. Los receptores SuperSpeed de Microchip pueden compensar con éxito pequeños errores de calibración de desacentuación mediante la circuitería adaptada. Esto permite que estos productos los compatibles con un mayor número de dispositivos y longitudes de cable que existen en el mercado. Esta variación en la longitud del cable y el tipo de receptor no se puede comprobar en un entorno de conformidad debido a las limitaciones de tiempo.

Una vez calibrada la desacentuación, el generador de datos debería conectarse a través de los bancos de ensayo de certificación al osciloscopio. El generador debe ajustarse para que genere una onda senoidal limpia aplicando solo el jitter aleatorio (random jitter, RJ). La herramienta USB-IF SigTest se puede usar entonces para procesar la señal y calcular el RJ. El RJ se debería ajustar hasta que entre en la especificación (2,42 ps±10%). La onda senoidal ofrece la señal más limpia a través de las pérdidas del cable para una medida fiable de RJ.

La calibración del RJ mediante bancos de prueba de conformidad presenta algunas dificultades. La primera es la repetitibilidad; las medidas de jitter siempre incorporan incertidumbres a los resultados. El segundo problema es que el jitter introducido es aleatorio, lo cual añade incertidumbre a la medida. Habrá variaciones entre las capturas de osciloscopios distintos aunque todo lo demás sea constante.

Con una calibración de jitter sinusoidal (sinusoidal jitter, SJ), el generador de datos debería ajustarse para que genere un patrón de datos aleatorio con jitter aleatorio habilitado. La señal puede pasar entonces por los bancos de prueba hasta el osciloscopio. SigTest puede calcular de nuevo el jitter total de la señal. Entonces se debería aplicar el SJ y repetir la medida. La diferencia en el jitter total para ambas medidas se puede utilizar para calibrar la configuración de SJ en el generador de datos. Con este procedimiento, se añaden los errores en las medidas cada vez que se toma la medida, con lo que se genera un conjunto de variaciones entre las ejecuciones de calibración secuencial.

La primera fuente de error es que el patrón de datos es aleatorio en lugar de una onda senoidal uniforme, lo cual crea algunas diferencias entre las medidas de jitter total para cada captura del osciloscopio. La segunda fuente de error es que el jitter se mide al final del banco de prueba de conformidad. Las pérdidas de alta frecuencia a través de las pistas de la placa y el cable de 5 m provocan que los flancos de las formas de onda sean más suaves y pequeños. Dado que los flancos no son puntiagudos, los cálculos de jitter no serán tan fiables porque el jitter se calcula en función del emplazamiento del flanco. Esta incertidumbre se une a los errores introducidos por el jitter aleatorio aplicado previamente, entonces y se toma dos veces la medida. Es posible que dos ejecuciones de calibración puedan producir puntos de ajuste del generador de datos distanciados hasta 4ps. Esto es igual para todo el rango de la especificación.

Finalmente, debería aplicarse la desacentuación de RJ y SJ a un patrón de datos aleatorio y la señal que atraviesa el banco de ensayo de conformidad. SigTest puede calcular las medidas de ojo de la señal y la amplitud puede ajustarse para asegurar que se está generando la señal más pequeña posible.

El receptor se debería comprobar con el margen mínimo permitido en el ojo de los datos aleatorios. Dado que todas estas medidas tienen alguna variación en sus resultados, es recomendable ejecutar la calibración de tres a cinco veces para comprobar la fiabilidad del algoritmo de calibración. La figura 2 muestra el ajuste para calibración de RJ, SJ y amplitud.

Ruido externo

Dado que la prueba del receptor introduce ruido en la señal que llega al DUT, cualquier ruido extra se añadirá al ruido generado por el instrumento. Existen numerosas fuentes externas de ruido en el sistema que pueden influir sobre la tolerancia comprobada en el receptor. Las fuentes de alimentación, la calidad del conector y las pérdidas en la placa pueden afectar a los resultados de la prueba de tolerancia de jitter.

Si la tensión aplicada al chip contiene ruido, se añadirá a la señal como si viajara a través de los buffers del receptor. Este ruido añade jitter a la señal total, haciendo así que los resultados de la prueba de tolerancia de jitter sean inferiores a los de un sistema ideal. Para reducir este ruido hay algunas técnicas de diseño de la placa a las que se puede recurrir.

La selección de una fuente de ruido con menos ruido es el primer paso en la limpieza de este ruido. El aislamiento de la fuente respecto a otros componentes del sistema mediante una perla de ferrita o un inductor puede limpiar más el sistema. Hay que asegurarse de que la perla de ferrita o el inductor tengan una resistencia baja para que la fuente no caiga. Finalmente, añadir condensadores de derivación de 0,1μF puede filtrar el ruido de alta frecuencia que todavía permanezca en la fuente.

La limpieza de estas fuentes es necesaria para un funcionamiento fiable del receptor y del chip.

Dado que la señalización de USB 3.0 Super Speed está en el rango de 2,5 GHz, no todos los conectores ofrecen las mismas prestaciones. La calidad del conector en lo que respecta a impedancia, aislamiento, diafonía y otros aspectos puede afectar enormemente a la cantidad de ruido que puede añadirse a la señal. Se sabe que el conector B estándar es el que más afecta a la calidad de señal.

El gran tamaño del conector B tiene más potencial para el desajuste de impedancias. Asimismo, las rutas que conectan las líneas USB a la placa pueden variar entre uno y otro proveedor, cada uno con un perfil de ruido diferente. La calidad de estas rutas puede introducir más ruido en las señales por aislamiento a tierra y diafonía. Se recomienda probar muestras de diferentes conectores USB para encontrar uno que sea óptimo para el sistema.

El conector A estándar también tiene problemas potenciales, pero como el perfil es más pequeño la distancia de la línea USB-A a la placa es mucho más corta. Y hay opciones de montaje superficial para este conector que también pueden limpiar la señal.

El conector micro B tiene las mejores prestaciones entre los conectores por su pequeño formato y la conexión a la placa por montaje superficial.

La ruta de señal desde el DUT al conector también influye sobre los resultados de la prueba de tolerancia de jitter. El factor que más influye es la propia longitud de la pista y la pérdida del dieléctrico. La señal de 5Gbyte/s perderá amplitud a lo largo de la pista del conector al DUT a través del material dieléctrico de la placa. Las prestaciones del receptor están ligadas a la amplitud de la señal, por lo que si la pista es más corta la amplitud en el receptor será mayor y el receptor ofrecerá mayores prestaciones. Dado que las pruebas de tolerancia de jitter del dispositivo o puerto concentrador conectado posteriormente tienen la amplitud inicial más baja, las pistas del DUT a estos conectores deberían ser más cortas.

Otro factor que puede afectar las prestaciones de la prueba de tolerancia de jitter de un dispositivo USB es la ramificación. La ruta ideal de la señal debería tener una fuente y un destino. Si la pista se ramifica, la señal se verá afectada.

Si las pistas se ramifican a otro receptor de terminal se perderá gran parte de la energía de la señal, lo cual afecta a las prestaciones de la prueba de tolerancia de jitter. Si las pistas se ramifican hasta un punto de prueba indeterminado, la señal se reflejará de nuevo a la pista principal, añadiendo un ruido que hará que el receptor tenga unos resultados de prueba de tolerancia de jitter por debajo de los óptimos. Este extremo de circuito abierto está también presente en el conector estándar insertado, por lo que es importante cómo se enruten las pistas hasta el conector (Figura 3). La opción ideal sería tener un conector no insertado y que las pistas fueran directamente del DUT al conector.

Conclusión

Se pueden obtener unos resultados óptimos de la prueba de tolerancia de jitter si se comprueban ciertos aspectos. Primero, confirmar que los bancos de ensayo utilizados son cables y conectores de alta calidad. El ancho de banda de los cables SMA debería ser lo suficientemente elevado para que pasen las señales USB3 y se debería adaptar la fase de los cables. Si algo fallara en los cables SMA la prueba no sería válida.

Segundo, comprobar que la calibración del sistema de prueba es correcta. Existe una gran variación en los resultados de la calibración, por lo que se requieren múltiples ejecuciones para confiar en el resultado final.

Finalmente, el sistema USB necesita tener los conectores adecuados instalados con las pistas más limpias y cortas posibles entre el conector y el dispositivo. Es preciso prestar especial atención al diseño del sistema USB y el entorno de prueba para lograr un dispositivo USB totalmente conforme a las especificaciones.




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