Analyse du diagramme oculaire : validation d'un SerDes à 10 Gbit/s

Pourquoi votre outil de mise en page ne sait pas si votre lien fonctionnera

Vous venez de router une voie SerDes 10 Gbit/s (PCIe, XAUI, 10GBASE-KR) sur 20 à 25 cm de FR-4 à l'aide de deux vias et de connecteurs à montage périphérique. L'impédance est contrôlée à un différentiel de 100 Ω et le DRC est propre. La DRC ne peut pas vous dire si le récepteur verra un œil ouvert.

À 10 Gbit/s, la fréquence de Nyquist est de 5 GHz et le FR-4 y enregistre des pertes. La perte diélectrique à elle seule est

Pour le FR-4 standard ($\varepsilon_{eff} \approx 4$, $\tan\delta \approx 0.02$) à 5 GHz ($\lambda_0$ = 6 cm), cela représente environ 0,18 dB/cm, et la perte de conducteur sur une trace étroite ajoute une quantité comparable. Un tracé de 20 à 25 cm perd donc plusieurs dB à Nyquist avant que les vias et les connecteurs ne soient comptés.

Pour savoir si c'est trop, il suffit de faire passer une séquence de bits à travers les paramètres S mesurés ou simulés du canal et de regarder dans les yeux.

Obtenir les données

L' outil Eye Diagram prend un fichier Touchstone à 2 ports (ou un fichier à 4 ports, à partir duquel il extrait le SDD21 différentiel). Ce qu'il attend de ce fichier :

• Plage de fréquences allant du courant continu au fur et à mesure que votre VNA atteint au moins le débit de données. Au-delà de la fréquence la plus élevée du fichier, l'outil étend le canal avec une réduction de 1/f et indique le résultat. C'est bien pour une estimation de la marge, mais les données réelles sont meilleures.
• Assez de points pour résoudre la structure de la chaîne. Les fichiers d'exemples de l'outil utilisent 20 points car ils décrivent des canaux fluides et simulés ; un canal mesuré avec des vias, des connecteurs et des résonances nécessite des centaines.
• S21 est ce qui anime l'œil ; S11 vous indique d'où viennent les reflets.

L'outil est livré avec trois canaux d'échantillonnage que vous pouvez charger depuis la page. Cette procédure pas à pas utilise l'exemple Backplane Channel, un microruban FR-4 simulé de 10 pouces (25 cm) avec deux vias et des connecteurs SMA à montage latéral.

Ce que fait l'outil

L'outil dispose de trois entrées en plus du fichier : débit de données, longueur du PRBS et échantillons par interface utilisateur. Il a ensuite :

1. Génère une période complète d'une séquence de bits pseudo-aléatoire standard (polynômes ITU-T O.150 : PRBS-7 est de 127 bits, PRBS-15 est de 32 767). Le PRBS-31 est trop long pour simuler l'ensemble. 32 768 bits sont donc exécutés une fois le canal réglé.
2. Fait passer la forme d'onde NRZ à travers le canal dans le domaine des fréquences, en conservant toute la réponse impulsionnelle, quelle que soit la durée du retard du canal.
3. Aligne la forme d'onde reçue sur les bits transmis et la découpe en intervalles unitaires.
4. Mesure les métriques sur tous les bits, et pas seulement sur les traces tracées : la hauteur des yeux est l'écart le plus défavorable entre les uns et les zéros reçus au moment de l'échantillonnage, la largeur des yeux correspond à l'ouverture horizontale au seuil de décision, le jitter l'écart entre les seuils franchis.

La forme d'onde est normalisée à ±1 V (2 Vpp). Le canal est linéaire, donc pour un émetteur réel, redimensionnez les hauteurs en fonction de son oscillation : un pilote de 800 mVpp donne 0,4 fois la hauteur signalée.

Lorsque la forme d'onde reçue ne dépasse jamais le seuil, la largeur et la gigue sont signalées comme non mesurées, avec la raison, plutôt que par défaut.

Regarder les yeux se fermer

Exécutez le canal d'échantillonnage de 25 cm à des débits de données croissants, PRBS-15, 64 échantillons/UI :

Les pourcentages sont ceux de l'oscillation de 2 V. À 10 Gbit/s, ce canal fournit toujours 43 % de l'oscillation transmise avec une largeur de 0,88 UI, soit un œil confortablement ouvert avant toute égalisation. À 16 Gbit/s, l'œil non égalisé est pratiquement fermé : 17 dB à Nyquist, c'est plus que ce qu'une liaison NRZ survit sans égalisation.

L'échantillon PCIe Gen3 le plus court de l'outil (trace de 6 pouces plus un via) perd 5,5 dB à 5 GHz et donne un œil de 1,30 V (65 %) à 10 Gbit/s. Un rappel utile que la longueur, et non « FR-4 » en tant que tel, définit la perte.

PRBS-7 ou PRBS-15 ?

À 10 Gbit/s sur le canal de 25 cm :

La séquence la plus longue contient de plus longues séries de bits identiques, qui excitent une plus grande partie de la queue lente du canal et ferment l'œil un peu plus loin. La différence augmente au fur et à mesure que le canal devient plus lent. À 16 Gbit/s, l'œil du PRBS-15 est 38 % plus petit que celui du PRBS-7. Utilisez PRBS-15 ou plus pour la signature.

Juger du résultat

Il n'existe pas de numéro universel « bon œil ». Comparez avec le masque de récepteur de la norme que vous implémentez, en vous référant à l'entrée du récepteur et, pour tout ce qui dépasse quelques Gbit/s, après l'égalisation, le PHY s'applique réellement. L'œil non égalisé vous indique la quantité de travail que cet égaliseur doit accomplir :

• Perte à Nyquist inférieure à environ 10 dB avec un œil ouvert : un CTLE de base la gère facilement.
• 10—20 dB : territoire normal pour les liaisons 10 à 25 Gbit/s, en fonction du CTLE et du DFE. Vérifiez le budget de perte de canaux spécifié par le PHY.
• Au-delà du budget du PHY ou d'un circuit fermé sans croisement : raccourcissez le trajet, changez le laminé ou optez pour un meilleur connecteur avant de vous fier à l'égalisation.

Réparer un œil fermé

Raccourcissez la tracée. Les pertes s'échelonnent en fonction de la longueur. Sur le canal d'échantillonnage, le fait de passer de 25 cm à 15 cm réduit environ 40 % de la perte de traces. Améliorez le plastifié. Un matériau à perte moyenne avec un $\tan\delta$ d'environ 0,008 à 0,01 est environ la moitié du terme diélectrique. Vérifiez à nouveau l'impédance à l'aide du Calculateur d'impédance contrôlée : le nouvel empilement modifie la géométrie de la trace. Utilisez l'égalisation du PHY. Le CTLE et le DFE existent pour récupérer exactement ce type de canal. La simulation n'est pas égalisée, alors considérez son œil comme l'entrée de l'égaliseur, et non comme la réponse finale. Percez ou raccourcissez à l'aide de tronçons (section suivante).

Le problème de Via Stub dont personne ne parle

Un trou traversant laisse un tronçon inutilisé en dessous de la couche sur laquelle vous sortez, et ce tronçon résonne à un quart de longueur d'onde :

Un tronçon de 0,8 mm en $\varepsilon_r$ = 4 résonne à une fréquence proche de 47 GHz, bien au-dessus d'une fréquence de Nyquist de 5 GHz. Un tronçon de 3,2 mm situé dans un fond de panier épais tombe à environ 12 GHz, suffisamment près pour créer une encoche dans la réponse du canal et provoquer une morsure. La simulation avec les paramètres S le montre, mais pas la DRC. Le Calculateur de résonance Via Stub vous indique où se situe le vôtre avant de capturer des données.

L'essentiel

Téléchargez les paramètres S de la chaîne, réglez le débit de données et le PRBS, et lisez quatre chiffres : perte à Nyquist, hauteur des yeux, largeur des yeux et gigue. Si l'œil non égalisé est ouvert avec marge, le PHY a une tâche facile. Si ce n'est pas le cas, vous savez sur quel levier actionner avant de vous lancer dans une rotation du plateau.

Mis à jour 2026-09-19. L'outil simule désormais une période PRBS complète, conserve l'intégralité de la réponse impulsionnelle et signale la largeur et la gigue comme non mesurées lorsqu'il n'y a aucun croisement. Les exemples ci-dessus proviennent de ses canaux d'échantillonnage ; une version antérieure de cet article décrivait les entrées que l'outil ne possède pas et surestimait la perte du FR-4. Exécutez la simulation du diagramme oculaire