Prueba de conformidad fallida, ¿y ahora qué?

Las pruebas de conformidad representan un hito importante durante el desarrollo del producto. Los comités de normalización pertinentes han publicado especificaciones de prueba detalladas para muchas interfaces, como USB y Ethernet. Los laboratorios de pruebas especializados ofrecen servicios completos de pruebas para dichas interfaces, incluida la documentación y la certificación. Para los usuarios que necesitan realizar estas pruebas por su cuenta, el R&S®RTP ofrece soluciones de prueba automatizadas para todos los estándares de interfaz comunes. Estas soluciones están equipadas con herramientas gráficas de configuración de las mediciones y con secuencias de prueba estándar. No importa cómo se realice la prueba: Si los resultados no se ajustan al estándar, es necesario realizar una depuración que requiere mucho tiempo.

Durante el análisis de la causa raíz, el osciloscopio R&S®RTP ofrece apoyo con herramientas de análisis como diagramas de ojo con pruebas de máscara o separación de componentes de jitter y ruido. La reflectometría en el dominio del tiempo también está disponible para verificar las características de transmisión de los componentes pasivos de la ruta de la señal, como conectores, cables y líneas de señal en la placa impresa.

Fig. 2: Adquisición de la traza del “canal corto“para un dispositivo USB 3.2 Gen 1 en los canales 1 y 3 con cálculo en tiempo real como señal diferencial (Diff 1). Cálculo de la señal del ”canal largo” mediante la incrustación de los parámetros S del USB-IF (Math 1).

Las pruebas de conformidad de los transmisores USB 3.2 se centran en el diagrama de ojo (ojo transmitido) para verificar la apertura del ojo, los niveles de señal y los componentes de jitter. Esta prueba se realiza directamente en la salida del dispositivo (canal corto), así como con una ruta de señal simulada (canal largo). Para las pruebas de canal largo, el USB Implementers Forum (USB-IF) ha publicado archivos con parámetros S para varias longitudes de cable y trazado de señal. Durante las pruebas, el osciloscopio adquiere secuencias de señales de reloj y datos con una longitud de 200 μs. A continuación, se comprueba el cumplimiento de estas secuencias con la norma mediante el software de análisis SigTest USB-IF. Dependiendo del modo de prueba, cada dispositivo USB debe generar los patrones de conformidad por sí mismo: En el caso del USB 3.2 Gen 1, se trata de los patrones CP0 (datos) y CP1 (reloj) y, en el caso del USB 3.2 Gen 2, de los patrones CP9 (datos) y CP10 (reloj). El cambio al siguiente patrón CP implica el envío de secuencias cortas LFPS al receptor en el dispositivo USB.

Fig. 3: El informe de la prueba de conformidad USB 3.2 Gen 1 revela un jitter anormalmente alto en la tabla de resultados (arriba) y en el diagrama de ojos (abajo).

El R&S®RTP soporta pruebas de conformidad para USB 3.2 Gen 1 (se requiere un modelo de 13 GHz) y para Gen 2 (modelo de 16 GHz) (Fig. 1). El software de análisis SigTest está integrado en la opción de prueba de conformidad USB 3.2 del R&S®RTP-K101, y la secuencia de prueba correspondiente está automatizada. La opción proporciona un cómodo gráfico para guiar al usuario durante la medición. Con la opción del generador de dos canales de 100 MHz integrado, la conmutación entre los distintos patrones de prueba se realiza automáticamente. La prueba simultánea de los canales cortos y largos es otra simplificación. La traza de la configuración del canal corto se procesa mediante filtros de incrustación generados a partir de archivos de parámetros S de USB-IF para producir una traza del canal largo (Fig. 2). Los resultados completos de la prueba se recopilan en un informe detallado.

La Fig. 3 muestra un ejemplo de errores que se produjeron durante la prueba de ojo transmitido para un dispositivo USB 3.2 Gen 1. El jitter aleatorio (RJ) determinado con el patrón de reloj (CP1) es especialmente notable. El diagrama ocular correspondiente para el patrón de datos (CP0) también muestra una alta fluctuación y ruido. Las herramientas de análisis proporcionadas con el R&S®RTP permiten investigar las causas de estos problemas.

Visión general rápida con el patrón de ojo

El análisis del patrón de ojos es una de las técnicas más conocidas para realizar pruebas rápidas de integridad de la señal. Consiste en superponer los bits de datos individuales de una secuencia de señales (Fig. 4). La selección de la base de tiempo adecuada para el análisis de bits es fundamental en este caso. Para todas las generaciones del estándar USB, se define la recuperación de datos de reloj (CDR) de segundo orden con diferentes funciones de transferencia.

Las máscaras de ojo especificadas en el estándar USB tienen una forma hexagonal (Fig. 5). La altura mínima de la apertura del ojo se especifica con un valor de 100 mV para la Gen 1 y 70 mV para la Gen 2. La anchura mínima del ojo es igual a la longitud del bit (intervalo de unidades, UI) menos el jitter total máximo (TJ) que se define para una tasa de error de bit de 10-12. Para USB 3.2 Gen 1, este valor es de 68 ps y para Gen 2, de 28,6 ps.

El R&S®RTP está equipado para generar diagramas de ojo con un CDR configurable que se implementa en el hardware y puede utilizarse como disparador. Un CDR en funcionamiento continuo permite un gran intervalo de observación del flujo de señales que permite la detección de errores esporádicos. La máscara puede configurarse en el centro de ojos para que la adquisición se detenga cuando se produzca una violación de la máscara.

La Fig. 6 muestra la prueba ocular para el dispositivo USB 3.2 Gen 1 defectuoso que se ha mencionado anteriormente. Como ya se detectó durante la prueba de conformidad, el diagrama de ojo muestra un alto componente de jitter y ruido. El histograma adicional en el lado derecho del ojo aclara la distribución temporal de los bordes de bits y, por tanto, el jitter. El formato de histograma bimodal revela información adicional: El jitter determinista elevado también está contenido en la señal.

Resolver las fuentes de error debidas al jitter y a los componentes de ruido

Un histograma en el diagrama de ojo puede proporcionar una visión inicial del jitter y el ruido contenidos en la señal de prueba. Sin embargo, para obtener información más detallada sobre las fuentes de interferencia, es muy útil desglosar el jitter total y el ruido total en sus componentes individuales (Fig. 7).

Por ejemplo, un alto jitter aleatorio (RJ) o un alto ruido aleatorio (RN) pueden ser señal de problemas en el propio semiconductor (ruido térmico, ruido de disparo) o de un oscilador de reloj inestable. Los componentes de fluctuación periódica determinista (PJ) pueden surgir, por ejemplo, debido a un PLL inestable o a la interferencia de las fuentes de alimentación conmutadas. Los componentes de fluctuación dependiente de los datos (DDJ) se dividen en distorsión del ciclo de trabajo (DCD), por ejemplo, debido a los bordes asimétricos de la señal y a la interferencia entre símbolos (ISI). Esta última puede deberse, por ejemplo, a las pérdidas de transmisión debidas al escaso ancho de banda de las trazas de señal o a las reflexiones en las vías o conectores.

Una vez completada la separación del jitter, se obtienen resultados detallados (Fig. 8). La tabla de resultados (arriba a la derecha) muestra que el jitter periódico (PJ) domina al jitter determinista. El jitter aleatorio (RJ + (O)BUJ) también es notablemente alto. El histograma de PJ tiene una distribución que sugiere una interferencia sinusoidal. La segunda tabla (abajo a la derecha) recoge los componentes de jitter periódico estimados. Aquí, los valores de jitter elevados son perceptibles a 100 MHz. En general, se trata de una información valiosa, ya que las frecuencias de interferencia pueden rastrearse hasta los bloques de función correspondientes.

A continuación, se pueden tomar las medidas adecuadas para reducir el acoplamiento de las interferencias. La fuente de alimentación es un punto débil típico. Las señales de interferencia se inyectan fácilmente a través de las líneas de alimentación y los planos de tierra. En este ejemplo, la opción del generador R&S®RTP se conectó a la tensión de alimentación de 5 V del dispositivo USB bajo prueba. La señal del generador inyectada causó la interferencia periódica a 100 MHz, mientras que el ruido adicional dio lugar a un fuerte jitter aleatorio (Fig. 9). La comparación con la situación después de desconectar la fuente de interferencia lo deja claro (Fig. 10). Una vez eliminada la señal interferente, la medición del jitter incluida en la prueba de conformidad pasa sin problemas.

Prueba de la ruta de la señal con TDR

Además de analizar las señales activas, también es importante comprobar las rutas de la señal en caso de que haya problemas de integridad de la señal. En este caso, la atención se centra en las pérdidas de transmisión, así como en la respuesta de impedancia y la estabilidad a lo largo de la trayectoria de la señal. En función de la señal, el ancho de banda de los trayectos de la señal en la placa impresa, los conectores, los cables, etc., requiere un diseño y una selección adecuados. También deben evitarse los escalones de impedancia debido a las reflexiones que pueden provocar.

Las mediciones pertinentes suelen realizarse con analizadores de redes. El R&S®RTP con reflectometría en el dominio del tiempo (TDR) integrada ofrece una alternativa útil. La fuente de impulsos diferencial de 16 GHz se utiliza como estímulo; sus salidas de referencia permiten medir las señales reflejadas con los canales del osciloscopio.

El software de aplicación proporciona ayuda durante la calibración de la configuración, así como durante la medición. El TDR puede utilizarse para medir la impedancia y el coeficiente de reflexión a lo largo de la trayectoria de la señal.

Fig. 11: Medición TDR en el dispositivo de prueba USB: impedancia (arriba), coeficiente de reflexión (abajo).

La Fig. 11 muestra la medición de un dispositivo de prueba USB. La fuente de impulsos diferenciales se conectó a los conectores SMA. El conector USB tipo A se dejó abierto para que el pulso de señal suministrado se reflejaría completamente. La impedancia y el coeficiente de reflexión pueden mostrarse en función del tiempo y de la distancia, lo que permite una fácil correlación con las secciones locales del dispositivo bajo prueba. Podemos ver claramente el paso de impedancia en la transición de los conectores SMA a la placa impresa, la impedancia constante a lo largo del trazado de la señal y la reflexión en el conector USB.

La transmisometría en el dominio del tiempo (TDT) es otra capacidad de medición útil. En este caso, también se introduce un pulso rápido en la trayectoria de la señal. La salida se conecta al canal del osciloscopio para poder determinar las pérdidas de transmisión. El resultado de la TDT muestra la forma del pulso que se produce debido a las pérdidas de transmisión. El tiempo de subida medido en el ejemplo de la Fig. 12 sugiere un ancho de banda de unos 3,2 GHz (BW = 0,35/trise).

Fig. 12: Medición de la TDT en el dispositivo de prueba USB: el tiempo de subida del pulso en la salida es de 108 ps.

Las pruebas de conformidad de las interfaces de bus serie incluyen mediciones importantes cuando se trata de garantizar la interoperabilidad entre los dispositivos electrónicos y sus accesorios. Cuando se producen errores, un equipo de pruebas y mediciones adecuado es la clave para determinar rápidamente las causas fundamentales. Junto con las opciones de software para realizar pruebas de conformidad automatizadas, el osciloscopio R&S®RTP ofrece una serie de herramientas muy útiles para depurar los problemas de integridad de la señal.