Analyse von Augendiagrammen: Validierung von 10-Gbit/s-SerDes

Warum dein Layout-Tool nicht weiß, ob dein Link funktioniert

Sie haben gerade eine 10-Gbit/s-SerDes-Lane — PCIe, XAUI, 10GBASE-KR — mit ein paar Vias und Edge-Mount-Anschlüssen über ein 20—25 cm langes FR-4-Netzwerk geroutet. Die Impedanz wird mit einer Differenz von 100 Ω geregelt, und der DRC ist sauber. DRC kann Ihnen nicht sagen, ob der Empfänger ein offenes Auge sehen wird.

Bei 10 Gbit/s beträgt die Nyquist-Frequenz 5 GHz, und FR-4 ist dort verlustbehaftet. Der dielektrische Verlust allein ist

Für Standard-FR-4 ($\varepsilon_{eff} \approx 4$, $\tan\delta \approx 0.02$) bei 5 GHz ($\lambda_0$ = 6 cm) sind das etwa 0,18 dB/cm, und der Leiterverlust auf einer schmalen Leiterbahn fügt einen vergleichbaren Betrag hinzu. Bei einer Trasse von 20—25 cm fallen bei Nyquist daher mehrere dB ab, bevor Vias und Stecker gezählt werden.

Ob das zu viel ist, lässt sich herausfinden, indem man eine Bitsequenz durch die gemessenen oder simulierten S-Parameter des Kanals schiebt und in das Auge schaut.

Die Daten abrufen

Das Eye Diagram Tool verwendet eine Touchstone-Datei mit 2 Anschlüssen (oder eine 4-Port-Datei, aus der das Differenz-SDD21 extrahiert wird). Was es von dieser Datei benötigt:

• Frequenzbereich von so nah an DC, wie Ihr VNA reicht, bis mindestens die Datenrate. Oberhalb der höchsten Frequenz der Datei erweitert das Tool den Kanal um einen 1/f-Roll-Off und gibt dies im Ergebnis an — gut für eine Margenschätzung, aber echte Daten sind besser.
• Genug Punkte, um die Kanalstruktur zu verstehen. Die Beispieldateien des Tools verwenden 20 Punkte, da sie glatte, simulierte Kanäle beschreiben; ein gemessener Kanal mit Durchkontaktierungen, Anschlüssen und Resonanzen benötigt Hunderte.
• S21 ist das, was das Auge antreibt; S11 zeigt Ihnen, woher Reflexionen kommen.

Das Tool enthält drei Beispielkanäle, die Sie von der Seite aus laden können. In dieser exemplarischen Vorgehensweise wird das Beispiel Backplane Channel verwendet — ein simulierter 10 Zoll (25 cm) großer FR-4-Mikrostreifen mit zwei Durchkontaktierungen und randmontierbaren SMA-Steckern.

Was macht das Tool

Das Tool hat neben der Datei drei Eingaben: Datenrate, PRBS-Länge und Samples pro UI. Es dann:

1. Generiert eine vollständige Periode einer standardmäßigen pseudozufälligen Bitfolge (ITU-T O.150-Polynome: PRBS-7 ist 127 Bit, PRBS-15 ist 32.767). PRBS-31 ist zu lang, um das Ganze zu simulieren, daher werden 32.768 Bit ausgeführt, nachdem sich der Kanal stabilisiert hat.
2. Leitet die NRZ-Wellenform im Frequenzbereich durch den Kanal und behält die gesamte Impulsantwort bei, unabhängig von der Verzögerung des Kanals.
3. Ordnet die empfangene Wellenform an den übertragenen Bits an und teilt sie in Intervalle auf.
4. Misst die Metriken über je Bit, nicht nur die gezeichneten Spuren: Die Augenhöhe ist die Lücke zwischen empfangenen Einsen und Nullen zum Zeitpunkt der Probenahme, die Augenbreite die horizontale Öffnung an der Entscheidungsschwelle, Jitter die Ausbreitung der Schwellenwertüberschreitungen.

Die Wellenform ist auf ±1 V (2 Vpp) normalisiert. Der Kanal ist linear, sodass bei einem echten Sender die Höhen anhand seiner Schwingung skaliert werden — ein 800-mVpp-Treiber ergibt das 0,4-fache der gemeldeten Höhe.

Wenn die empfangene Wellenform den Schwellenwert nie überschreitet, werden Breite und Jitter als nicht gemessen gemeldet, und zwar mit dem Grund und nicht als Standardeinstellung.

Dem Auge beim Schließen zuschauen

Lassen Sie den 25-cm-Probenkanal mit steigenden Datenraten laufen, PRBS-15, 64 Proben/UI:

Die Prozentangaben beziehen sich auf den 2-V-Schwung. Bei 10 Gb/s liefert dieser Kanal immer noch 43% des übertragenen Schwungs mit einer Breite von 0,88 UI — ein angenehm offenes Auge, bevor ein Ausgleich stattfindet. Bei 16 Gb/s ist das ungleichmäßige Auge praktisch geschlossen: 17 dB bei Nyquist sind mehr, als eine NRZ-Verbindung ohne Entzerrung überlebt.

Das kürzere PCIe-Gen3-Sample des Tools (6-Zoll-Trace plus Via) verliert 5,5 dB bei 5 GHz und ergibt ein 1,30-V-Auge (65%) bei 10 Gb/s — eine nützliche Erinnerung daran, dass die Länge und nicht „FR-4“ als solches den Verlust bestimmt.

PRBS-7 oder PRBS-15?

Bei 10 Gb/s auf dem 25-cm-Kanal:

Die längere Sequenz enthält längere Durchläufe identischer Bits, die den langsamen Schwanz des Kanals stärker erregen und das Auge etwas weiter schließen. Der Unterschied wird größer, je schwächer der Kanal wird — bei 16 Gb/s ist das Auge von PRBS-15 um 38% kleiner als das von PRBS-7. Verwenden Sie PRBS-15 oder länger für die Sign-Off.

Das Ergebnis beurteilen

Es gibt keine allgemeingültige Zahl für „gutes Auge“. Vergleichen Sie mit der Empfängermaske des Standards, den Sie implementieren. Bezieht sich auf den Empfängereingang, und — für alles, was über ein paar GB/s liegt — nach dem Ausgleich gilt der PHY tatsächlich. Das ungleichmäßige Auge sagt dir, wie viel Arbeit der Equalizer zu leisten hat:

• Verlust bei Nyquist mit offenem Auge unter etwa 10 dB: Ein einfaches CTLE bewältigt das problemlos.
• 10—20 dB: Normalbereich für Verbindungen mit 10—25 Gb/s, basierend auf CTLE plus DFE. Prüfen Sie das vom PHY angegebene Budget für Kanalverluste.
• Überschreitet das Budget des PHY oder ein geschlossenes Auge ohne Kreuzungen: Verkürzen Sie die Route, wechseln Sie das Laminat oder wechseln Sie zu einem besseren Anschluss, bevor Sie sich auf den Ausgleich verlassen.

Ein geschlossenes Auge reparieren

Verkürzen Sie die Spur. Der Verlust skaliert mit der Länge. Auf dem Probenkanal werden etwa 40% des Spurverlustes durch eine Änderung von 25 cm auf 15 cm reduziert. Verbessern Sie das Laminat. Ein Material mit mittlerem Verlust, bei dem $\tan\delta$ etwa 0,008—0,01 liegt, halbiert in etwa die Hälfte der Lebensdauer des Dielektrizitätswerts. Überprüfen Sie die Impedanz erneut mit dem Controlled Impedance Calculator — der neue Lagenaufbau verändert die Leiterbahngeometrie. Verwenden Sie den PHY-Entzerrung. CTLE und DFE existieren, um genau diese Art von Kanal wiederherzustellen. Die Simulation hier ist ungleichmäßig, also behandeln Sie ihr Auge als Eingabe für den Equalizer, nicht als endgültige Antwort. Mit Hilfe von Stummeln nach hinten bohren oder kürzen (nächster Abschnitt).

Das Via-Stub-Problem, über das niemand spricht

Ein Durchgangsloch hinterlässt einen unbenutzten Stummel unter der Ebene, auf der Sie den Ausgang verlassen, und dieser Stummel schwingt bei einer Viertelwellenlänge mit:

Ein 0,8 mm großer Stummel in $\varepsilon_r$ = 4 schwingt in der Nähe von 47 GHz mit — weit über einer 5-GHz-Nyquist-Frequenz. Ein 3,2 mm großer Stummel in einer dicken Rückwandplatine fällt auf etwa 12 GHz ab. Das ist nah genug, um die Kanalreaktion zu durchbrechen und einen Biss aus dem Auge zu bekommen. Die S-Parameter-Simulation zeigt es, DRC nicht. Der Via Stub Resonance Calculator sagt Ihnen, wo Ihr Gerät landet, bevor Sie Daten erfassen.

Das Fazit

Laden Sie die S-Parameter des Kanals hoch, stellen Sie die Datenrate und den PRBS ein und lesen Sie vier Zahlen ab: Verlust bei Nyquist, Augenhöhe, Augenbreite und Jitter. Wenn das ungleichmäßige Auge mit Rand geöffnet ist, hat der PHY eine einfache Aufgabe. Wenn nicht, wissen Sie, an welchem Hebel Sie ziehen müssen, bevor Sie einen Board-Spin ausführen.

Aktualisiert 2026-09-19. Das Tool simuliert jetzt eine komplette PRBS-Periode, behält die gesamte Impulsantwort bei und meldet Breite und Jitter als nicht gemessen, wenn es keine Kreuzungen gibt. Die obigen Beispiele stammen aus den Beispielkanälen. In einer früheren Version dieses Artikels wurden Eingaben beschrieben, über die das Tool nicht verfügt, und der FR-4-Verlust wurde übertrieben. Führen Sie die Augendiagramm-Simulation aus