Análisis del diagrama ocular: validación de SerDes de 10 Gbps

Por qué tu herramienta de diseño no sabe si tu enlace funcionará

Acabas de enrutar una línea SerDes de 10 Gbps (PCIe, XAUI, 10GBASE-KR) a través de un FR-4 de 20 a 25 cm con un par de conectores vias y de montaje en borde. La impedancia se controla con un diferencial de 100 Ω y la DRC está limpia. El DRC no puede decirte si el receptor verá un ojo abierto.

A 10 Gbps, la frecuencia de Nyquist es de 5 GHz, y el FR-4 tiene pérdidas allí. La pérdida dieléctrica por sí sola es

Para el FR-4 estándar ($\varepsilon_{eff} \approx 4$, $\tan\delta \approx 0.02$) a 5 GHz ($\lambda_0$ = 6 cm), es aproximadamente 0,18 dB/cm, y la pérdida de conductor en una pista estrecha añade una cantidad comparable. Por lo tanto, una ruta de 20 a 25 cm pierde varios dB en Nyquist antes de contar las vías y los conectores.

La forma de saber si eso es demasiado consiste en pasar una secuencia de bits a través de los parámetros S medidos o simulados del canal y observarlos a los ojos.

Obtención de los datos

La herramienta Eye Diagram toma un archivo Touchstone de 2 puertos (o un archivo de 4 puertos, del que extrae el SDD21 diferencial). Qué necesita de ese archivo:

• Rango de frecuencia desde tan cerca de DC como llegue su VNA hasta, al menos, la velocidad de datos. Por encima de la frecuencia más alta del archivo, la herramienta extiende el canal con una reducción de 1/f y lo indica en el resultado. No hay problema para estimar el margen, pero los datos reales son mejores.
• Puntos suficientes para resolver la estructura del canal. Los archivos de muestra de la herramienta utilizan 20 puntos porque describen canales simulados y fluidos; un canal medido con vías, conectores y resonancias necesita cientos.
• S21 es lo que impulsa la vista; el S11 te indica de dónde vienen los reflejos.

La herramienta incluye tres canales de muestra que puedes cargar desde la página. En este tutorial se utiliza el ejemplo Backplane Channel: una microtira FR-4 simulada de 10 pulgadas (25 cm) con dos vías y conectores SMA montados en los bordes.

Qué hace la herramienta

La herramienta tiene tres entradas además del archivo: velocidad de datos, longitud del PRBS y muestras por interfaz de usuario. Luego:

1. Genera un período completo de una secuencia de bits pseudoaleatoria estándar (polinomios ITU-T O.150: PRBS-7 tiene 127 bits, PRBS-15 tiene 32.767). El PRBS-31 es demasiado largo para simular todo, por lo que se ejecutan 32.768 bits una vez que el canal se ha estabilizado.
2. Hace pasar la forma de onda NRZ a través del canal en el dominio de la frecuencia, manteniendo toda la respuesta al impulso sin importar cuánto tiempo dure el retraso del canal.
3. Alinea la forma de onda recibida con los bits transmitidos y la divide en intervalos unitarios.
4. Mide las métricas de cada bit, no solo de las trazas trazadas: la altura de los ojos es la diferencia más desfavorable entre los unos y los ceros recibidos en el instante de muestreo, la anchura de los ojos es la abertura horizontal en el umbral de decisión, la fluctuación es la dispersión de los cruces del umbral.

La forma de onda se normaliza a ±1 V (2 Vpp). El canal es lineal, por lo que un transmisor real escala las alturas según su oscilación: un controlador de 800 mVpp da 0,4 veces la altura indicada.

Cuando la forma de onda recibida nunca sobrepasa el umbral, la anchura y la fluctuación aparecen como no medidas, con el motivo, y no como valores predeterminados.

Observando los ojos de cerca

Ejecute el canal de muestreo de 25 cm a velocidades de datos crecientes, PRBS-15, 64 muestras/UI:

Los porcentajes son de la oscilación de 2 V. Con una velocidad de 10 Gb/s, este canal sigue ofreciendo el 43% de la oscilación transmitida con un ancho de 0,88 UI, lo que permite tener los ojos bien abiertos antes de cualquier ecualización. A 16 Gb/s, el ojo no ecualizado está prácticamente cerrado: 17 dB en Nyquist es más de lo que un enlace NRZ sobrevive sin ecualización.

La muestra PCIe Gen3 más corta de la herramienta (6 pulgadas de trazo más una vía) pierde 5,5 dB a 5 GHz y arroja un ojo de 1,30 V (65%) a 10 Gb/s, un útil recordatorio de que la pérdida es la longitud, y no el «FR-4» propiamente dicho.

¿PRBS-7 o PRBS-15?

A 10 Gb/s en el canal de 25 cm:

La secuencia más larga contiene series más largas de bits idénticos, que excitan más la cola lenta del canal y cierran un poco más el ojo. La diferencia aumenta a medida que el canal pierde información: con 16 Gb/s, el ojo del PRBS-15 es un 38% más pequeño que el del PRBS-7. Utilice PRBS-15 o más para cerrar sesión.

Juzgando el resultado

No existe un número universal de «buen ojo». Compáralo con la máscara de receptor del estándar que estás implementando, haciendo referencia a la entrada del receptor y, en el caso de valores superiores a unos pocos Gb/s, después de la ecualización, se aplica realmente el PHY. El ojo no igualado te indica cuánto trabajo tiene que hacer el ecualizador:

• Pérdida en Nyquist inferior a 10 dB con el ojo abierto: un CTLE básico lo gestiona fácilmente.
• 10-20 dB: territorio normal para enlaces de 10 a 25 Gb/s, dependiendo de CTLE más DFE. Compruebe el presupuesto de pérdida de canales especificado por la PHY.
• Más allá del presupuesto del PHY o a ojo cerrado sin cruces: acorte la ruta, cambie el laminado o pase a un conector mejor antes de confiar en la ecualización.

Cómo arreglar un ojo cerrado

Acorte el trazo. La pérdida aumenta con la longitud. En el canal de la muestra, pasar de 25 cm a 15 cm reduce aproximadamente el 40 por ciento de la pérdida de trazas. Mejora el laminado. Un material de pérdida media con $\tan\delta$ de entre 0,008 y 0,01 reduce aproximadamente a la mitad el término dieléctrico. Vuelva a comprobar la impedancia con la calculadora de impedancia controlada; el nuevo apilamiento cambia la geometría de la traza. Usa la ecualización del PHY. Existen CTLE y DFE para recuperar exactamente este tipo de canal. La simulación aquí no está ecualizada, así que trata su ojo como la entrada al ecualizador, no como la respuesta final. Taladra hacia atrás o acorta con talones (sección siguiente).

El problema de Via Stub del que nadie habla

Una vía pasante deja un trozo sin usar por debajo de la capa por la que se sale, y ese tubo resuena a un cuarto de longitud de onda:

Un tubo de 0,8 mm en $\varepsilon_r$ = 4 resuena cerca de 47 GHz, muy por encima de la frecuencia Nyquist de 5 GHz. Una protuberancia de 3,2 mm situada en una placa madre gruesa se reduce a unos 12 GHz, lo suficientemente cerca como para provocar un corte en la respuesta del canal y un mordisco en el ojo. La simulación con parámetros S lo muestra; la DRC no. La calculadora Via Stub Resonance te indica dónde va a parar la tuya antes de capturar cualquier dato.

El resultado final

Sube los parámetros S del canal, establece la velocidad de datos y el PRBS y lee cuatro números: pérdida en Nyquist, altura de los ojos, anchura de los ojos y fluctuación. Si el ojo no igualado está abierto con margen, el PHY tiene una tarea fácil. Si no lo es, ya sabes qué palanca usar antes de realizar una tirada del tablero.

Actualizado 2026-09-19. La herramienta ahora simula un período completo de PRBS, conserva toda la respuesta al impulso e indica que el ancho y la fluctuación no se han medido cuando no hay cruces. Los ejemplos anteriores provienen de sus canales de muestreo; una versión anterior de este artículo describía entradas que la herramienta no tiene y exageraba la pérdida de FR-4. Ejecute la simulación del diagrama ocular