SIGLENT SNA5000A ベクトルネットワークアナライザ用TDR測定

■はじめに

タイムドメイン反射法 (TDR) は、高速伝送のためのケーブルと接続品質を測定する重要な手法です。このカテゴリに広く含まれる測定のいくつかは、障害までの距離などの特性であり、TDR はインピーダンスの変化を距離にわたって視覚化するのが容易です。一部の基本的な解析モードはケーブルアナライザや基本的なスペクトラムアナライザで実装できますが、高度なTDR測定を使用すると、より微妙で捉えにくい伝送品質の問題を評価することができます。TDR機能が強力なマルチポート、マルチパスベクトルネットワークアナライザに組み込まれると、高度な視覚化と解析が可能になります。重要な方法の1つは、高速通信チャネル上でのシミュレートされたアイダイアグラムの使用です。これらのアイダイアグラムは、4ポートネットワークアナライザを使用したデエンベディングで多くのデバイス トポロジーに実装でき、マスクテストや注入ジッタを含む重要なデータ視覚化を提供します。このアプリケーションノートでは、SIGLENT の SNA5000A ベクトルネットワークアナライザの高度な TDR 実装と機能について説明し、2 つの標準 USB ケーブルの品質を比較します。

 

■差動測定と DUT トポロジー

多くのVNA測定と同様に、品質の高いデータを取得し、設計と改善の指針とするためには、構成とキャリブレーションが最も重要なステップの2つです。SIGLENTのベクトルネットワークアナライザ (図1) には、デバイス構成とケーブルおよび接続のデエンベディングを簡単にするセットアップウィザードが含まれています。

図1: SIGLENT社のSNA5000Aシリーズ

 

TDRモードは MATH メニューから入ります。オンにすると、セットアップウィザードに入って開始します。最初のセットアップステップは、DUT トポロジーの決定です (図 2)。

図 2：TDR設定のDUT トポロジー

4 ポートVNAを使用すると、完全な差動測定が可能です。これは、高性能な信号および高速度通信のために日常的に差動信号を使用するシステムにとって重要です。ここでは、USBケーブルをテストするために2ポート差動トポロジーを使用します。SMAからUSB-Aへの差動コネクタを2つ用意し、NからSMAケーブルとアダプタを使用してVNAに接続します。セットアップウィザードの次のステップでは、これらのケーブルと接続のキャリブレーションとデスキューを支援します。図 3 は、最初に開かれるキャリブレーション ウィザード ウィンドウを示しています。これに続いて、いくつかのスルー接続やオプションの負荷接続を行い、デバイスに対してセットアップをキャリブレーションします。追加の機械的キャリブレーションやEcalも、TRDセットアップインターフェースから実行できます。

セットアップウィザードが完了すると、ディスプレイ上のトレースを希望の測定値に構成できます。このトポロジーでは、次のオプションから選択できます。

これらの測定は時間領域パラメータであり、c と d (例: Tcd12) は、出力ポートと入力ポートがそれぞれ差動または共通測定に設定されているかどうかを示します。1 と 2 は出力ポートと入力ポートの番号を示します。伝統的な散乱パラメータ、例えば Sdd12 なども、時間領域オプションを変更することで選択できます。Sパラメータモードでは、他の測定フォーマット（スミスチャートなど）も表示可能です。我々のケーブルテストでは、差動伝送品質を測定するために Tdd12 を使用します。

自動スケール機能を使用してすべてのトレースをスケールし、関心のある任意のパラメータを視覚化できます。SNA5000A は、一度に最大 256 のトレースを作成できます。解析の多くは、図 4 に示されているビューから行うことができます。時間領域のトレースは、被試験デバイス (DUT) の特性を完全に表現します。接続が正しく行われ、確立されたパラメータ内で測定が行われていることを確認するために、素早く確認することができます。これで、この接続の詳細な特性評価を行うために、アイダイアグラムのビューに移動する準備が整いました。

図3: TDRセットアップウィザードのデスキューキャリブレーション

 

図4: Tdd12トレースセットアップ

 

■アイダイアグラムとマスクテスト

正しいトレースとパラメータを選択したら、図4の左下に示されているように、画面の左下にある「Eye/Mask」ボタンを選択してTDR操作のアイ/マスクステップに進みます。まず、1 GB/s の PRBS 信号をシミュレートするようにアイを構成します。ここで、図5に示されている2本のケーブルを比較できます。

これらの測定を通じて重要な点は、VNA がデータストリームを送受信しているわけではないことです。代わりに、TDRモードでDUTから得られた情報を使用して、チャネルの特性に基づいてデータがどのように見えるかを複雑にシミュレートしています。これらのビューには違いがありますが、PRBS 信号はこれらのケーブルの違いを明らかにするには短すぎるかもしれません。さらに調べるために、刺激の種類を PRBS から統計に変更することができます。これにより、時間経過にわたるデータ伝送のより完全な視点が得られ、図6に示されている画像が生成されます。

図5: PRBS信号シミュレーションでのケーブルAとケーブルBの比較

 

図6: 統計信号シミュレーションでのケーブルAとケーブルBの比較

 

これで、ケーブルAがデータ伝送に影響を与える可能性のある特性を持っていることが明確に見え始めました。この問題を客観的に詳細に示すために、カスタムマスクパターンジェネレータを使用できます。マスクパターンジェネレータには、確立された信号のための50以上の標準マスクパターンが付属しており、アイエリアの形状を長方形、六角形、八角形、または十角形にして作成するテンプレートも含まれています。ここでは、我々が確認する必要がある信号レベルとケーブルパラメータに一致するカスタム六角形マスクを作成しました。図7は、ケーブルAとBのアイパターンにマスクが重ねられたものを示しています。

 

■ジッタの注入とカスタム刺激

今や、ケーブルAがトランジションから出てくるときにいくつかのオーバーシュート/アンダーシュートを作成し、アイに干渉し、場合によってはマスクの外側の境界に到達することがあることがわかります。このテストは依然として、我々のケーブルとコネクタを通過する非常に正確な信号を示唆しています。ソースからジッタが注入された場合はどうなるでしょうか？SNA5000Aは、このシミュレーションに自動的に注入ジッタを追加できます。ランダムまたは周期的なジッタを、Advanced Waveformボタンを使用して注入することができます。ランダムジッタの要素が追加されると、結果は図8に示されているようになります。画面に表示されるジッタ測定の増加や、信号ジッタによってアイが閉じられる様子を見ることができます。

図7: カスタムマスクを使用した統計信号シミュレーションでのケーブルAとケーブルBの比較

 

図8: 注入ジッタを伴う統計信号シミュレーションでのケーブルAとケーブルBの比較

 

 

ジッタ注入とマスク機能を使用して実験を行った結果、ケーブルBは50mUIのランダムジッタ (RMS値) があっても、依然としてマスクテストに合格することがわかります。図9は、これらの設定でのケーブルBを示しており、図10は、これらの設定下でのケーブルAの問題の程度を示しています。

 

図9: 注入ジッタでマスクテストに合格したケーブルB

 

図10: 注入ジッタでマスクテストに不合格のケーブルA

 

アイダイアグラムの追加カスタマイズは、シミュレーションに使用されるデータパターンのカスタマイズや、刺激信号の立ち上がり時間やデータレートの調整によって行うことができます。最後の図は、ケーブルBがより高速なビットレートで、かつより速いエッジを持って動作していることを示しています。図11のアイダイアグラムは、このケーブルとコネクタのセットアップが2.5GB/秒で動作する高速トランシーバーと互換性があることを示しています。

 

図11: 2.5GB/秒で高速エッジで動作するケーブルB

■結論

アイダイアグラム、マスクテスト、構成可能な刺激信号を含む高度なTDR分析は、高速データチャネルや接続を特徴づけるための重要な技術です。SIGLENTの4ポートベクトルネットワークアナライザは、周波数範囲の拡大を続けており、高速伝送システムの高度なテストをより簡単に実現できるようになっています。これらの信号やシステムを正確に特徴づけるには、精度と高ダイナミックレンジの両方が必要ですが、同時に、重要な測定の構成、キャリブレーション、カスタマイズ、視覚化を簡素化するためのツールも必要です。SIGLENTのベクトルネットワークアナライザの強化されたTDR機能は、この種の高度な解析を簡単にします。