高速インタフェース規格 事例紹介

国内の産業機器メーカー(設計部門)
インタフェース規格の高速化が止まらない
接続エラーを解決したのはオシロではなく意外な測定器だった!

インタフェース規格の高速化が進んでいる。
データ伝送速度が5Gビット/秒を超えるものも少なくない。
こうした高速インタフェース規格をクリアするには、デジタル・オシロだけでは不十分だ。
これまで光通信などで使われていた「あの計測器」を使いこなす必要がある。

 

【3】この問題を解決したソリューション

事例紹介:
国内の産業機器メーカー(設計部門)
インタフェース規格の高速化が止まらない
接続エラーを解決したのはオシロではなく意外な測定器だった!


【1】背景と問題

【2】解決:そんなテストが必要だなんて・・・

【3】この問題を解決したソリューション


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テーマ:BERT
■ 製品名:M8020A J-BERTシリーズ


高速インタフェース規格の評価に向けたBERT
32Gビット/秒へのアップグレード・パスも用意


~ジッタ印加やディエンファシスなどの多くの機能搭載で
低コストでシンプルなテスト環境を一台に提供~

概要  
 USBやPCI Express、シリアルATA(SATA)、Thunderboltなどのインタフェース規格が相次いで高速化されています。いずれも規格も、最も高速な仕様では、データ伝送速度が5Gビット/秒を超えました。極めて高いデータ伝送速度と言えるでしょう。

 データ伝送速度が高まれば、プリント基板設計の難易度が飛躍的に高まります。なぜならば、プリント基板上に配置した配線(ライン)は、それ自身がローパス・フィルタ(低域通過フィルタ)として機能したり、プリント基板に実装するEMI対策部品やESD(静電気放電)対策部品が信号に悪影響を与えたりするからです。この結果、信号波形が大きく乱れてしまいます。

 さらに、テストの難易度も高まります。データ伝送速度が低いインタフェース規格の場合は、デジタル・オシロスコープを使って、送信信号の波形や受信信号の波形/アイ・パターンを測定し、規格をクリアできているかを確認すれば大丈夫でした。しかし、データ伝送速度が高くなると、それだけでは済まされません。ビット誤り率テスタ(BERT:Bit Error Rate Tester)を使った測定が求められるのです。

 BERT(バートと発音)はこれまで、極めて高速な光通信機器や半導体などのテスト/評価に使われてきた測定器です。そのため、あまり馴染みの少ない測定器と言えます。簡単にその役割と使い方を説明しましょう。まずは、BERTからDUT(テスト対象物)にテスト信号を送り、これをレシーバ回路で受信します。DUTのテスト・モードは、ループバック・モードに設定しておきます。ループバック・モードでは受信したビット・パターンとまったく同じものをトランスミッタ回路から出力してBERTに送り返します。そしてBERTの内部で、送信したテスト信号と受信したテスト信号を比較し、ビット誤り率(BER)を求めます。ビット誤り率は、低ければ低いほど良好な値であり、規格によって異なりますが10−12程度の値を実現することが求められます。

 これまで、インタフェースのデータ伝送速度があまり高くない電子機器では、BERTは不要でした。しかしインタフェースの高速化に伴って、従来不要だった電子機器でも、不可欠な存在になっています。高速インタフェースのテスト仕様に、BERTでの評価が明文化されたからです。
キーサイト・テクノロジーでは、こうした高速インタフェース規格を採用するコンピュータ機器やモバイル機器のテスト/評価に向けたBERT「M8020A J-BERTシリーズ」を2014年1月に製品化しました(図1)。以下で、このBERTの性能や特徴を紹介します。


図1 最大32Gビット/秒に対応できるBERT
キーサイト・テクノロジーが2014年1月に製品化したビット誤り率テスタ(BERT)「M8020A J-BERTシリーズ」です。最大データ伝送速度は8.5Gビット/秒、16Gビット/秒、32Gビット/秒の3つに対応可能です。

 
   
主な特徴  
 M8020A J-BERTシリーズの最大の特徴は、アップグレード性の高さにあります。データ伝送速度については、8.5Gビット/秒と、16Gビット/秒、32Gビット/秒の3つに対応可能です。例えば、USB 3.0のテストのために8.5Gビット/秒対応機を購入し、USB 3.1の導入を将来迫られたときに16Gビット/秒にアップグレードすることが可能です。こうすることで、必要なときに必要な投資が可能になるため、無駄なコストを抑えられます。

 各種機能についても同様です。M8020A J-BERTシリーズを1台購入しておけば、必要なときに必要な機能を買い足せます。採用する高速インタフェース規格に合わせて、利用できる機能を増やしていくことで無駄な投資が省けるわけです(図2)。


図2 将来にわたって、データレートを含む全オプション機能を後から拡張可能


 8.5Gもしくは16Gビット/秒時は4チャネルに対応 

 それでは、M8020A J-BERTシリーズの機器構成について説明しましょう。M8020Aは、5つのスロット(1スロットの高さは1UI)を備えたメインフレームに、「M8041A」と「M8051A」、「M8061A」という3つのBERTモジュールの中から必要なものを選択し、組み込んで使用します。

 M8041Aは、BERTメインモジュールで、8.5Gビット/秒、もしくは16Gビット/秒のデータ伝送速度に対応します。8.5Gビット/秒に対応した構成を最初に導入した場合でも、後からソフトウエア・アップグレードで16Gビット/秒に対応した構成に拡張可能です。入出力チャネル数は最大2チャネル。5つのスロットのうち3つを占有します。

 M8051Aは、BERTエクステンド用モジュールです。8.5Gビット/秒、もしくは16Gビット/秒に対応した入出力チャネルを最大で2チャネル追加可能です。スロットの占有数は2つです。従って、M8041AとM8051Aを組み合わせて使用すれば、8.5Gビット/秒、もしくは16Gビット/秒のデータ伝送速度に対応した最大4チャネルのBERTを実現できることになります。

 M8061Aは、2対1のMUX(マルチプレクサ)モジュールです。2スロットを占有します。M8041AとM8061Aを組み合わせれば、最大で32Gビット/秒に対応した1チャネルのBERTが実現できるわけです。


 豊富な機能を1台に集約 

 M8020A J-BERTシリーズで用意した機能は、極めて豊富です。具体的には、ジッタ印加機能や、8タップのディエンファシス機能、縦軸妨害波印加機能、インタラクティブリンクトレーニング機能、デバイスの信号入力端における信号条件の校正機能、シンボルエラーレート機能、受信イコライザ機能などです。いずれの機能もオプションであり、必要に応じてソフトウエアキーを購入することで利用可能になります。

 多くの機能を1台のBERTに搭載できた理由は、キーサイト・テクノロジーが独自開発したASICを採用した点にあります(図3)。従来であれば、外付けの測定器やアクセサリが必要でしたが、今回のBERTを使えばそれらが一切不要になり、シンプルなテスト環境を構築できます。操作性も大幅に向上します。


図3 多機能への対応を可能にしたASIC
キーサイト・テクノロジーが独自開発したASIC。これを採用することで、多くの機能を搭載することに成功した。



 代表的な機能を以下で説明します。1つめは、ジッタ印加機能です。そもそも、BERTから出力される信号のランダム・ジッタ(RJ)は300fsrms以下に抑えられます(図4)。このクリーンな信号に、正弦波ジッタ(SJ)や周期ジッタ(PJ)、有限非相関ジッタ(BUJ)、クロック周波数/2ジッタ、スペクトラム拡散クロック(SSC)のジッタ、シンボル間干渉(ISI)ジッタを印加できます(図5)。キーサイト・テクノロジーによると、「印加できるジッタの種類は業界最多」です。


図4 出力信号波形
ランダム・ジッタ(RJ)は300fsrms以下と小さい。このためクリーンな信号を出力できる。


図5 ジッタを与えた信号波形
正弦波ジッタ(SJ)や周期ジッタ(PJ)、有限非相関ジッタ(BUJ)、クロック周波数/2ジッタ、スペクトラム拡散クロック(SSC)のジッタ、シンボル間干渉(ISI)ジッタなどを付加できる。



 2つめは、8タップのディエンファシス機能です(図6)。ディエンファシスとは、信号伝送路によって失われる高周波成分を出力信号側で補償する技術です。今回はその減衰量を8タップで設定できます。


図6 8タップのディエンファシス機能
送信信号に対するディエンファシス量を8タップで設定可能だ。このため、複雑な形状の信号波形を作成できる。


 
 3つめは、縦軸妨害波印加機能です(図7)。
これを使えば、クロストークやノイズ重畳をエミュレーションが可能になります。印加する妨害波は、コモンモードと差動モードの両方に対応します。


図7 縦軸方向の妨害波を与えた波形
コモンモード、もしくは差動モードのノイズを印加できる。



 4つめは、インタラクティブリンクトレーニング機能です(図8)。BERTとトランシーバIC(デバイス)との間で信号をプロトコルのやり取りを実行しながら、接続を確立する(リンクアップする)ことが可能です。つまり、プロトコル・ジェネレータのように機能し、物理層だけでなくリンク層のテストも実行できます。


図8 インタラクティブリンクトレーニング機能
トランシーバIC(デバイス、測定物)と信号をやりとりしながら、接続を確立(リンクアップ)できる。これによって、実環境条件に沿ったリンクアップ条件での試験が可能になる。



 5つめは、デバイスの信号入力端における信号条件の校正機能です。この機能を使えば、信号の校正面をフロントパネルの出力コネクタ端から、測定端に変更できます。従って、ケーブルや治具などの影響を受けることなく、確かな条件の信号での試験を行うことが可能になるわけです(図9)。


図9 デバイスの信号入力端における信号条件の校正機能

 
   
この問題を解決したBERTについて、より詳細な情報またはお問い合わせは下記をご覧ください。

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