Análise do diagrama ocular: validação de SerDes de 10 Gbps

Por que sua ferramenta de layout não sabe se seu link funcionará

Você acabou de rotear uma faixa SerDes de 10 Gbps — PCIe, XAUI, 10GBASE-KR — em 20—25 cm de FR-4 com algumas vias e conectores de montagem na borda. A impedância é controlada no diferencial de 100 Ω e o DRC está limpo. A RDC não pode dizer se o receptor verá um olho aberto.

A 10 Gbps, a frequência Nyquist é de 5 GHz e o FR-4 tem perdas. A perda dielétrica por si só é

Para o FR-4 padrão ($\varepsilon_{eff} \approx 4$, $\tan\delta \approx 0.02$) a 5 GHz ($\lambda_0$ = 6 cm), isso é cerca de 0,18 dB/cm, e a perda do condutor em um traço estreito adiciona uma quantidade comparável. Portanto, uma rota de 20—25 cm perde vários dB em Nyquist antes que as vias e conectores sejam contados.

A maneira de saber se isso é demais é passar uma sequência de bits pelos parâmetros S medidos ou simulados do canal e olhar nos olhos.

Obtendo os dados

A ferramenta Eye Diagram usa um arquivo Touchstone de 2 portas (ou um arquivo de 4 portas, do qual extrai o diferencial SDD21). O que ele precisa desse arquivo:

• Faixa de frequência de tão perto de DC quanto seu VNA sobe até pelo menos a taxa de dados. Acima da frequência mais alta do arquivo, a ferramenta estende o canal com uma variação de 1/f e diz isso no resultado — bom para uma estimativa de margem, mas dados reais são melhores.
• Pontos bastantes para resolver a estrutura do canal. Os arquivos de amostra da ferramenta usam 20 pontos porque descrevem canais suaves e simulados; um canal medido com vias, conectores e ressonâncias precisa de centenas.
• S21 é o que chama a atenção; S11 informa de onde vêm os reflexos.

A ferramenta vem com três canais de amostra que você pode carregar da página. Este passo a passo usa a amostra Backplane Channel — uma microfita FR-4 simulada de 10 polegadas (25 cm) com duas vias e conectores SMA de montagem na borda.

O que a ferramenta faz

A ferramenta tem três entradas além do arquivo: taxa de dados, comprimento do PRBS e amostras por interface do usuário. Em seguida, é:

1. Gera um período completo de uma sequência de bits pseudo-aleatória padrão (polinômios ITU-T O.150: PRBS-7 tem 127 bits, PRBS-15 é 32.767). O PRBS-31 é muito longo para simular todo, então 32.768 bits são executados após o canal se estabilizar.
2. Passa a forma de onda NRZ pelo canal no domínio da frequência, mantendo toda a resposta ao impulso por mais longo que seja o atraso do canal.
3. Alinha a forma de onda recebida aos bits transmitidos e a divide em intervalos unitários.
4. Mede as métricas em cada pedacinho, não apenas nos traços desenhados: a altura dos olhos é a pior diferença entre os uns e os zeros recebidos no instante da amostragem, a largura dos olhos é a abertura horizontal no limite de decisão, a variação da largura dos limites.

A forma de onda é normalizada para ±1 V (2 Vpp). O canal é linear, portanto, para um transmissor real, dimensione as alturas por sua oscilação — um driver de 800 mVpp fornece 0,4 vezes a altura relatada.

Quando a forma de onda recebida nunca ultrapassa o limite, a largura e a instabilidade são relatadas como não medidas, com o motivo, e não como padrão.

Observando os olhos fecharem

Execute o canal de amostra de 25 cm com taxas de dados crescentes, PRBS-15, 64 amostras/UI:

As porcentagens são da oscilação de 2 V. A 10 Gb/s, esse canal ainda oferece 43% da oscilação transmitida com 0,88 UI de largura — um olho confortavelmente aberto antes de qualquer equalização. A 16 Gb/s, o olho não equalizado está essencialmente fechado: 17 dB em Nyquist é mais do que um link NRZ sobrevive sem equalização.

A amostra PCIe Gen3 mais curta da ferramenta (traço de 6 polegadas mais uma via) perde 5,5 dB a 5 GHz e fornece um olho de 1,30 V (65%) a 10 Gb/s — um lembrete útil de que o comprimento, e não o “FR-4" como tal, define a perda.

PRBS-7 ou PRBS-15?

A 10 Gb/s no canal de 25 cm:

A sequência mais longa contém trechos mais longos de bits idênticos, que excitam mais a cauda lenta do canal e fecham o olho um pouco mais. A diferença aumenta à medida que o canal fica mais frouxo — a 16 Gb/s, o olho do PRBS-15 é 38% menor do que o do PRBS-7. Use o PRBS-15 ou mais para assinar.

Julgando o resultado

Não existe um número universal de “bom olho”. Compare com a máscara receptora do padrão que você está implementando, referida à entrada do receptor e, para qualquer coisa acima de alguns GB/s, após a equalização, o PHY realmente se aplica. O olho não igualado indica quanto trabalho esse equalizador precisa fazer:

• Perda em Nyquist abaixo de cerca de 10 dB com o olho aberto: um CTLE básico lida com isso facilmente.
• 10—20 dB: território normal para links de 10—25 Gb/s, dependendo de CTLE mais DFE. Verifique o orçamento de perda de canal especificado pelo PHY.
• Além do orçamento do PHY ou de um olho fechado sem cruzamentos: encurte a rota, troque o laminado ou vá até um conector melhor antes de confiar na equalização.

Fixando um olho fechado

Encurte o traço. A perda aumenta com o comprimento. No canal da amostra, ir de 25 cm a 15 cm reduz aproximadamente 40% da perda de traços. Atualize o laminado. Um material de perda média com $\tan\delta$ em torno de 0,008—0,01 reduz aproximadamente pela metade o termo dielétrico. Verifique novamente a impedância com a Calculadora de impedância controlada — o novo empilhamento altera a geometria do traçado. Use a equalização do PHY. CTLE e DFE existem para recuperar exatamente esse tipo de canal. A simulação aqui não é equalizada, então trate seu olho como a entrada para o equalizador, não como a resposta final. Perfure ou encurte com tocos (próxima seção).

O problema do Via Stub sobre o qual ninguém fala

Um orifício de passagem deixa um toco não utilizado abaixo da camada em que você sai, e esse toco ressoa em um quarto do comprimento de onda:

Um talão de 0,8 mm em $\varepsilon_r$ = 4 ressoa perto de 47 GHz — muito acima de uma frequência Nyquist de 5 GHz. Um toco de 3,2 mm em um painel traseiro espesso cai para cerca de 12 GHz, perto o suficiente para criar um entalhe na resposta do canal e uma mordida no olho. A simulação do parâmetro S mostra isso; a DRC não. A Calculadora Via Stub Resonance informa onde a sua está antes de capturar qualquer dado.

A linha de fundo

Faça o upload dos parâmetros S do canal, defina a taxa de dados e o PRBS e leia quatro números: perda em Nyquist, altura dos olhos, largura dos olhos e instabilidade. Se o olho não equalizado estiver aberto com margem, o PHY tem um trabalho fácil. Se não for, você sabe qual alavanca puxar antes de começar a girar a prancha.

Atualizado 2026-09-19. A ferramenta agora simula um período PRBS completo, mantém toda a resposta ao impulso e relata a largura e a instabilidade como não medidas quando não há cruzamentos. Os exemplos acima vêm de seus canais de amostra; uma versão anterior deste artigo descreveu entradas que a ferramenta não tem e exagerou a perda de FR-4. Execute a simulação do diagrama ocular