Comments
Description
Transcript
ダウンロード・ファイル
入門書 - 高速デジタル・シリアル解析 システム検証の概要 システム検証 入門書 目次 第 1 章：はじめに . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . シリアル・システムの性能の新しいレベル シリアル・システムとそのコンポーネント シリアル測定と課題 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . トランスミッタのテスト . . . . . . . . . . . . . リンクのテスト . . . . . . . . . . . . . . . . . . . レシーバのテスト . . . . . . . . . . . . . . . . . . システムのテスト . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 4 5 6 6 6 7 8 第 2 章：トランスミッタのテスト — システム信号パスの最初のステップ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 トランスミッタの物理層テストのための測定ソリューション . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 プローブとプロービング . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12 フィクスチャ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12 測定アプリケーション・ソフトウェアと関連ツール . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13 パターンの使用 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14 アイ・ダイアグラム：診断、デバッグ、および評価のためのソリューション . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15 3 種類のトランスミッタ・テスト . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17 トランスミッタ測定の例 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18 測定の構成 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18 送信の立上り時間／立下り時間のテスト . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18 コネクタでのトータル・ジッタ、データ、250UI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 OOB テスト . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 トランスミッタの測定：まとめ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 第 3 章：インピーダンス測定とリンク測定による信号の潜在的な問題の早期発見 インピーダンス測定の基礎 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 真の差動 TDR の測定 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . セットアップと接続 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . TDR による基本的なインピーダンスの測定 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . インピーダンス測定や他の測定方法を変える新しいツール . . . . . . . . . . . . . . S パラメータを使った SATA のインピーダンス測定 . . . . . . . . . . . . . . . ケーブルの絶対差動インピーダンス . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . シンボル間干渉 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . インピーダンスの測定：まとめ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 21 22 23 23 25 26 26 27 28 第 4 章：レシーバ・テストがもたらす特異な課題 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . レシーバのデータ・チャンネル・テストとアウト・オブ・バンド・テスト レシーバの仕組み . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rx 振幅感度の測定 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rx タイミングの測定 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rx ジッタ・トレランスの測定 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . アウト・オブ・バンド・テスト . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . テストの内容 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . レシーバの振幅感度 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . レシーバ・タイミング・スキューの測定 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . レシーバの PLL ループ帯域幅の測定 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . レシーバのディエンファシスの生成とテスト . . . . . . . . . . . . . . . . . Rx ジッタ・トレランスの測定 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . OOB テストの例：信号ディテクション・スレッショルド . . . . . . . . レシーバの測定：まとめ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 31 31 31 31 31 32 32 32 33 33 34 35 36 38 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . まとめ：デジタル・シリアル解析および今後のシステム設計 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2 www.tektronix.co.jp システム検証 入門書 第 1 章：はじめに すべてのシステムは、自動車であろうとコンピュータであろうと、さらに小さな機能要素、つまりサブシステムから構 成されています。今日の高速シリアル・システムの場合、開発プロジェクトを成功させるには、それらの要素をシステ ムに統合する前に、特性を評価し、業界規格に準拠させることが鍵になります。サブシステムが規格に完全に準拠した ら、他の要素とのインターオペラビリティ（相互接続）を検証するために、接続して一連のテストを行うことが可能に なります。最も重要な最初のステップは、徹底的なデジタル・シリアル解析です。これは、適合性ガイドラインと設計 目標を満たしていることを証明するための測定です。 この入門書は、小規模「システム」、つまり、マザーボー ド搭載のチップセットとハード・ディスク・ドライブ間 のデータ交換などのアプリケーションで使用する個々の トランシーバ・セットの検証をテーマにしています。こ こで説明する測定方法は、あらゆる規模のシステムに適 用される前提に基づいています。その前提とは、個々の 要素は、その周辺にあるコンポーネントからの外部的な 影響を切り離した場合、相互に作用するサブシステムを 含む「ブラック・ボックス」よりも評価しやすいという ことです。 この基本システムを多チャンネル化することはできます が、システムのアーキテクチャは基本的にすべて同じで す。最も重要なことは、それぞれの小規模システムを評 価し、より大きな環境でもその役目を果たせることを証 明することです。物理層での一連の測定は、この規模の システムの性能を予測するのに不可欠です。 この入門書は、シリアル ATA、10 ギガビット・イーサ ネット、XAUI（10Gigabit Attachment Unit Interface） などのシリアル・バス・アーキテクチャの基本構成要素 のデジタル・シリアル解析に的を絞っています。取り上 げる小規模シリアル・システムは、次の要素から構成さ れる完全な送受信インタフェースです。 差動出力を備えたトランスミッタ・デバイス 伝送リンク（一般に、回路基板配線、相互接続ケーブ ル、およびコネクタで構成） 差動レシーバ・デバイス www.tektronix.co.jp 3 システム検証 入門書 シリアル・システムの性能の新しいレベル 過去何十年にもわたり、測定の課題はデジタル・システ ムの速度（データ・レート）の絶え間ない高速化に焦点 が当てられてきました。この議論は現在も続いています。 業界全体で、シリアル・システムの設計者は、シリコ ン・デバイスを改良し、FR-4 回路基板や Cat-5 ケーブ ルのような単純な接続コンポーネントなど、既存の「イ ンフラストラクチャ」を使用して性能の向上を図ってい ます。 しかし、近年登場したシリアル・データ・システムの アーキテクチャは、これまでにない性能を提供し、設計 や測定の課題を新しいレベルに引き上げました。 今日のデジタル・システムの設計者は、レーダ・システ ムやビデオ・システムの開発者と共通点を持っています。 155Mbps のデータ・レートでは無視できた高周波回路 の現象が、マルチギガビットのシリアル・レートで動作す るデジタル・システムでは無視できなくなっているので す。クリーンなエッジと広く開いたアイ・ダイアグラムで トランスミッタから送信されるデータ・ビットは、ほとん ど認識できない形でレシーバに到達します。既に確立され ている測定技法は、S パラメータなどの基本的な回路特性 を利用し、スキップ・オーダード・セット（SOS）など の基本的なデジタル構造を扱う、新しい方式に取って代 わられつつあります。 シリアル ATA などのバスが、その旧式のパラレル・バス と比較して、データ帯域幅を飛躍的に向上させたことは承 知のとおりです。現実とは、多くのシリアル・バスの公表 データ・レートを達成するために使用される「レーン」が、 高周波数（ビット・レート）で動作するときにはパラレ ル・バスと同様な振る舞いをするということです。レーン は、特にレートが上昇するにつれ、クロストークを受けや すくなります。レーンのインピーダンス特性は、レーンの 高周波での動作に影響します。コストのかかる製造段階に 入る前に、レーンをモデル化し、測定を行い、理解する必 要があります。 この入門書では、マルチギガビットのシリアル・データ技 術に付随する課題を一つずつ見ていきます。また、システ ム内の一連の要素を評価するために使用できる測定ツール と技法について説明します。 4 www.tektronix.co.jp 図 1-1：OSI スタック OSI モデル PCI Express、シリアル ATA、FB-DIMM（Fully Buffered DIMM）などの規格を採用しているデジタル・ システムは、OSI（Open Systems Interconnection） 参照モデルに準拠しています。このモデルは 7 層のプ ロトコル階層（「スタック」）からなり、通常、最下位に ハードウェアの実装である物理層（PHY）があります。 各層は、その結果物をスタックの上方へのみ提供します。 図 1-1 は、完全な OSI スタックを示しています。 OSI モデルは、スタックの階層間のインターオペラビ リティが円滑に行われるように設計されています。階 層間の相互作用を規定しており、データ・リンク層の ベンダとその上のネットワーク層のベンダが異なる場 合でも、連係して動作することが保証されます。 PHY はさらに論理層と電気層に分けられます。これら の層には、図 1-2 に示す信号伝送デバイスが含まれま す。電気レベルでは、測定機器は信号を高精度で取り込 んでから、全体のシグナル・インテグリティやジッタな どの特性を評価する必要があります。論理レベルでは、 測定機器はアイ・ダイアグラムを解析し、マスクや規格 との適合性を検証します。上のデータ・リンク層では、 プロトコル解析ツールが規格を解釈し、下位の層で検出 されたエラーと原因を関連付けます。 システム検証 入門書 図 1-2：SATA トランシーバ「システム」の例。インターオペラビリティを保証するために、各要素（トランスミッタ、リンク、レシーバ）でコンプライアンス・ テストを行う必要があります。 シリアル・システムとそのコンポーネント 図 1-2 は、サンプル・システムのコンポーネントを示し ています。この実装は、わずかな違いはあるものの、今 日のほとんどの高速シリアル・バスに見られます。ブロッ ク図は、簡略化されたシリアル ATA（SATA I または 1 SATA II） インストレーションシステムを表しています。 この場合のホストは、PC のマザーボードです。 ブロック図を左から右へ見ていくと、短い PCB 配線（プ リント基板トレース）がホストのトランスミッタからコ ネクタへ信号を伝送しています。規格に準拠したケーブ ルが、ハード・ディスク・デバイス内にあるレシーバに データをリンクします。データは両方向に進むので、リ ンクの両側にはトランスミッタとレシーバがあります。 送信と受信の要素は差動信号をやり取りするので、チャ ンネルごとに 2 本の信号ラインが必要です。 1 このモデルとは細部が異なるバスもあります。たとえば、 FB-DIMM では通常、送信先へ送る信号はケーブルを通し ません。一般に、FB-DIMM メモリは、そのメモリにアク セスする CPU およびチップセットと共に、マザーボード に直接取り付けられたコネクタに接続されるので、パス は PCB 配線と FB-DIMM コネクタから構成されます。た だし、PCI Express、XAUI、Fibre Channel や他の多 くのバス同様、基本的な測定のニーズは同じです。既存 のほぼすべてのシリアル・バスの実装は、第 2 世代ある いはさらに第 3 世代の規格へと移行しています。このこ とは、必然的にデータ・レートの高速化をもたらし、ノ イズやジッタなどの信号動作に対する要求がさらに厳し くなることを意味します。 本書では、「SATA」の語の最後にローマ数字が付いていない場合は、両方の SATA を意味します。 www.tektronix.co.jp 5 システム検証 入門書 シリアル測定と課題 上記で紹介したシステムの各要素に関して、測定方法と 問題点を簡単に見ていきましょう。以下のステップでも SATA を例として使用しますが、これらのステップはほ ぼすべてのシリアル規格に同様に適用できます。 トランスミッタのテスト 測定 トランスミッタのテストは、多くの点で、全過程中で最 も単純なステップです。トランスミッタ出力で測定され る信号は、非常にクリーンで、アベレーションのない状 態です。それでも信号は「完全」ではありません。信号 の最適化は、どのトランスミッタの設計でも最も重要で す。また、適合性要件を満たす必要もあります。 トランスミッタの測定では、特に、ユニット・インター バルとスペクトラム拡散変調周波数などの一般的な PHY 適合性仕様を取り上げます。さらに送信信号の要件には、 差動出力電圧、立上り時間／立下り時間、差動スキュー、 コネクタにおける 5 ユニット・インターバル（UI）と 250 UI の範囲のトータル・ジッタとデターミニスティッ ク・ジッタ、およびその他の測定が含まれます。最後に、 独自のテスト要件を持つアウト・オブ・バンド（OOB） 信号の測定があります。 課題 帯域幅と立上り時間：経験則から、オシロスコープには、 信号の最高周波数の 5 次高調波を取り込める十分な帯 域幅が必要です。SATA II の場合、データ・レートは 3.0Gbps であり、基のクロック周波数は 1.5GHz とな ります。したがって、オシロスコープでは、SATA II の 測定のために少なくとも 7.5GHz の帯域幅が必要です。 トランスミッタの測定は、リアルタイム（RT）オシロス コープまたは等価時間（ET）サンプリング・オシロス コープのいずれかで実行できます。ET 機器は、数十 GHz の周波数範囲で動作する信号を扱えます。さらに、サンプ リング技術により、高確度の時間軸および垂直軸と共に、 優れたジッタ／ノイズ性能が提供されます。ET 機器のレ コード長は、RT プラットフォームよりも短くなりますが、 アイ・ダイアグラム解析やその他の適合性作業や評価作業 に適しています。 6 www.tektronix.co.jp RT 機器には、デジタル・シリアル解析に対する独自の強 みがあります。利用可能なソリューションには、高速エッ ジと幅の狭いユニット・インターバルを高い精度で取り 込むための十分な帯域幅があります。また、RT オシロス コープは、トラブルシューティングとデバッグの作業に最 も効率的なツールセットです。高速でリアルタイムのデー タ取り込み機能、長いレコード長（1 億ポイントを超え る）、およびアベレーション、データ・パターンなどでの 拡張トリガを利用できます。高速データ・レート（最大 3.125Gbps）でハードウェアベースの NRZ シリアル・ パターンのトリガを実現する RT 機器もあります。 生産性：必要な測定の数や複雑さには圧倒されることが あります。しかし、アイ・ダイアグラムやジッタの測定 などを含む、セットアップや解析作業のほとんどは、統 合ソフトウェア・ツールで実行できます。図 1-3 は、ス ループットとユーザの生産性を大幅に高める統合ソフト ウェア・アプリケーションを実行する ET オシロスコープ によるジッタの測定を示しています。RT オシロスコープ でも、その帯域内でのジッタ・テスト、アイ・ダイアグ ラム測定、および関連作業用に、同様の自動ツールを利 用できます。 リンクのテスト 測定 伝送リンクは、受動パスではありますが、システム設計 においては重要です。その特性は、通過する信号に影響 を及ぼし、規格に準拠していないケーブルやコネクタで は信号が受信端で識別できなくなるほどです。PCB 配線、 パッド、ビア、コネクタ、およびケーブルはすべて、信 号が通る環境に影響を及ぼします。さらに、マルチレー ン・シリアル実装の使用が増えるということは、リンク を構成する導体間でクロストークや相互干渉が増加する ことを意味します。インピーダンス（およびパス全長に おけるその変動）と S パラメータなどの伝送リンクの特 性は、徹底的に評価する必要があります。 システム検証 入門書 図 1-3：ET オシロスコープ用の当社の 80SJNB アプリケーションなどの自動ジッタ測定ツールは、適合 性測定や検証作業の時間を短縮します。 これらの作業には、TDR（Time Domain Reflectometry） 機能に加えて、S パラメータ解析アプリケーションを備 えた ET オシロスコープが必要です。 リンクの測定は広範囲にわたります。たとえば、接続コ ネクタのインピーダンス、インサーション・ロス、立上 り時間、イントラペア・スキューがあります。また、リ ンクがビット・エラー・レートにどのぐらい影響するか を予測する必要性が高まっています。 課題 差動の測定：多くのシリアル・バスでは、低振幅データ 信号に対する外部干渉を最小限にするために、差動伝送 技術を使用します。したがって、すべての信号パスは、 信号とその信号とコンプリメンタリ（相補）関係にある 信号のそれぞれを伝送する 2 本の導体からなります。そ のようなパスの動作を正確に評価するには、真の差動 TDR が必要です。TDR は、同時コンプリメンタリ・パ ルスを送り出し、両方の応答を同時に取り込む必要があ ります。代替手段として、正パルスのペアを順番に送り 出し、極性と位置を計算により修正してから信号を表示 し解析する方法があります。ただし、後者の方法は電源 の入ったリンクの測定には使用できず、一部の規格に適 合しない場合があります。 テスト時間：シリアル要素のビット・エラー・レートのテ ストは時間のかかる作業です。単一のリンク・コンポーネ ントに数時間は必要です。設計者は、BER 結果の確度を 下げることなく、テスト時間を削減できるソリューション を望んでいます。 レシーバのテスト 測定 伝送後に使用可能な信号の識別：測定過程全体で、いくつ かのレシーバ・テストは、最も未解決の問題として残っ ています。信号がトランスミッタを出るときには、信号 は（通常）クリーンでシャープな状態です。信号がレシー バに到達するころには、アイの開口がほとんど識別不能 になるまで劣化することがあります。これは、前述のデー タ・レートとエッジ速度の高速化による避けられない結 果です。高速エッジと幅の狭いパルスは分布容量や PCB ビアなどの物理的障害に影響されます。ディエンファシ スやイコライゼーション技術は信号劣化を低減できます が、レシーバ入力点での測定では、かなり劣化した信号 に対応できる必要があります。 www.tektronix.co.jp 7 システム検証 入門書 図 1-4：当社の TDSRT-Eye シリアル・コンプライアンス・テスト／解析ソフトウェア・アプリケーション の結果ページ。このツールセットは、定量測定、合否テスト、マスク、アイ・ダイアグラム、および測定値の統計 処理に対応しています。 既知の特性を持つ信号を入力することによる、確立した レシーバ・テスト手順もいくつかあります。特性は、完 全に近い方形パルス波ストリームから、ディエンファシ ス・フィルタ、ジッタ、ノイズ、その他の歪みなどの波 形にわたります。レシーバ出力は、予測可能な形で応答 する必要があります。それらに対するレシーバの応答が、 エンドユーザ・アプリケーションでの信号欠陥に対する 許容を示す値となります。 フィクスチャが必要な場合があります。 レシーバ・テストには、振幅感度、タイミング、ジッタ に対するトレランスなどがあります。一部のレシーバの 測定には、擬似ランダム・パターン（PRBS ： Pseudo Random Bit Sequence）が必要であり、DUT 自体に特 別なループバック設定が必要な場合もあります。 バイナリ情報の可能なすべての状態を評価し、立上り時 間や振幅などの波形特性が許容マージン内にあることを 確認することが課題です。設計者は、DUT のこれらの領 域の性能を概観するアイ・ダイアグラムのセットアップ、 取り込み、および解析を行うためのシリアル解析アプリ ケーション・パッケージ（図 1-4）にますます依存する ようになってきています。 課題 基準：本書執筆の時点では、レシーバ・テストの基準と 手順はまだ定義作業中です。必要な定義が決定されるま で、すべての機器構成で繰り返し同じ結果を達成するこ とは難しいかもしれません。 レシーバのテストには、被測定装置（DUT）の帯域に一 致する帯域を持つ入力信号源が必要です。通常、入力信号 源は、差動信号のコンプリメンタリ信号を出力するために 少なくとも 2 つの信号を出力できるパルス・ジェネレー タ、データ・ジェネレータ、またはパターン・ジェネレー タです。 デジタル・ソースを使用する場合、信号にジッタやディ エンファシスを適用するには、テスト装置がかなり複雑 になります。DUT に信号を送る前にジェネレータ出力を 修正するために、外部のアナログ・ファンクション・ ジェネレータ、パワー・コンバイナ、および付随的な 8 www.tektronix.co.jp レシーバ出力は、RT オシロスコープまたは ET オシロス コープによって取り込むことができます。通常、デー タ・レートに基づいていずれかを選択します。基本波が 5GHz（10Gbps）を超える非常に高い周波数では、ET オシロスコープが必要です。ET オシロスコープは、帯域 を優先するため、1 回（単発）のイベントを取り込む能 力が犠牲になります。 システムのテスト 測定 データの取り込みと解釈：システムのテストでは、OSI の物理層の上段から上方のデータ・リンク層へと移動し ます。ここで行う「測定」は、ある意味で、実際には測 定ではありません。実際には電子データの取り込みを行 いますが、波形特性はこの時点では解決済みの問題です。 システムのテストで重要なのは、それらの電子信号が表 す内容です。これは、連係して動作するすべての要素か ら読み取ることのできる情報です。シリアル・バスをデ コードし、実際のやり取りを見る必要があります。それ らのやり取りを、他のバスや、チップセット内および CPU 内で行われている処理と相互に関連付ける必要があ ります。 システム検証 入門書 第 2 章：トランスミッタのテスト – システム信号パスの最初のステップ データ・レート 最高繰り返しレート（基本波） 5 次高調波 対応オシロスコープ SATA I 1.5Gbps .75GHz 3.75GHz RT SATA II 3.0Gbps 1.5GHz 7.5GHz RT SATA III 6.0Gbps 3.0GHz 15GHz RT または ET 将来の要件（XFI など） 10Gbps 5GHz 25GHz ET 表 2-1 課題 バスのサポート：システムのテストには、広範なバスの サポートが必要不可欠です。ここでいう「サポート」と は、データをデコードし解釈するソフトウェア・ツール だけでなく、ハードウェアのプロービング、相互接続デ バイス、シリアル・データを読み取り可能なパラレル形 式に展開するインタフェースも意味します。それらのイ ンタフェースは、マルチレーン、エンベデッド・クロッ ク、差動伝送などの問題にも対処できる必要があります。 アクイジションとストレージの容量：最終的には、サ ポート・インタフェースは機器（通常はロジック・アナ ライザ）に多数チャンネルの信号を供給することになり ます。複数のバス上で 32 ビット以上のワード長に対応 するのに十分なチャンネル（数百チャンネルの可能性も ある）が必要です。そのワード長に、何千または何百万 の動作サイクルを取り込むための大きなメモリ長が伴い ます。本書のデジタル・シリアル解析手順では、SATA 「システム」の例の最初の能動要素であるホスト側のトラ ンスミッタから見ていきます。図 1-2 をもう一度参照し てください。システム信号パスには、ホストと SATA ハード・ディスク・ドライブ（HDD）内の各端にトラン スミッタがあります。両方のテストの要件と手順は似て います。 トランスミッタの物理層テストは 3 つに分類されます。 それぞれに SATA 規格 7.2.1 と SATA Unified Test Document 2.12.1 に定められたいくつかの測定が含ま れています。 一般要件（PHY 1-4） 送信信号要件（TSG 1-12） アウト・オブ・バンド要件（OOB 1-7） わかりやすくするために、以下の説明では、ホストのト ランスミッタに焦点を当て、HDD トランスミッタについ ては適宜言及します。どちらのトランスミッタも、コン トローラまたは代替ハードウェアからのコマンドによっ て開始されるセルフテスト状態に置く必要があります。 どちらも、テスト機器と手順に対して同様の要件があり ますが、後述するように、ホストによってはホストを内 蔵セルフテスト（BIST：Built-In Self-Test）モードに するために必要な機能がない場合があります。 トランスミッタの物理層テストのための測定 ソリューション シリアル・データ伝送では、シリアル・バスまたはデバ イスのデータ転送レートを Gbps 単位で表現します。オ シロスコープを使用した測定の観点から、データ・レー トは、表 2-1 に示すように機器の GHz 単位の帯域幅に直 接関係します。 トランスミッタ要素の測定には、RT オシロスコープまた は ET オシロスコープのプラットフォームが適していま す。SATA の仕様には、信号特性の評価に関して、どち らを使用した方がよいかは明示されていません。 表 2-1 は、現在と将来の SATA のデータ・レートの概要 です。「将来の要件」の項目は、特に SATA に適用される わけではありませんが、帯域幅に対する要求が引き続き 上昇する可能性があることを示すために XFI の例が含ま れています。 データ・レート 1.5Gbps の SATA Gen I（SATA I）と 3.0Gbps で動作する SATA II の両方とも、本書執筆の時 点で利用できる RT オシロスコープの能力に見合っていま す。そのようなツールの目標帯域幅は、バスの最高繰り 返しレート（基本波）の 5 倍です。この結果、SATA II の場合は、7.5GHz になります。さらに、データ・レー トが 6Gbps と予想される次世代の SATA も開発中です。 このレートも、現在の最高水準の RT オシロスコープが対 応できる範囲です。 www.tektronix.co.jp 9 システム検証 入門書 業界のさまざまな委員会では、バスの最高繰り返しレー トの 5 次高調波を取り込むために十分なオシロスコープ の帯域幅が必要であるとの結論を下しています。これは 単に、デジタル・データ・ストリームを構成する「方形 波」が、理論的には基本波と多くの奇数高調波から構成 されているという事実によります。オシロスコープの帯 域幅によって、取り込むことのできる高調波の次数は制 限されます。つまり、方形波をどれだけ正確に取り込め るかといことです。SATA-IO グループは、SATA II の測 定には少なくとも 10GHz の帯域幅を持つオシロスコー プを推奨しています。 同様に、立上り時間も、SATA 測定用のオシロスコープ を選択する際に帯域幅と切り離せない重要事項です。公称 目標として 5%の時間確度の測定を仮定すると、100ps の信号エッジを再生するのに、オシロスコープには約 5GHz の帯域幅が必要になります。同程度の確度で 30ps の立上り時間を取り込むには、オシロスコープに 16GHz の帯域幅が必要になります。 RT オシロスコープではレコード長の要件を見落としては なりません。40GS/s などの高いサンプル・レートでは、 多くのレコード長が消費されます。多くのシリアル規格 2 で要求されるように、完全な 2 23 -1 擬似ランダム・パ ターン（PRBS23）パターンを取り込むには、機器のメ モリは 1.4 ミリ秒に相当するデータを格納できる必要が あります。その他のアプリケーション、スペクトラム拡 散クロック（SSC：Spread Spectrum Clocking）変調 解析、低周波数ノイズ・テストなどでも同様に長いレ コード長が要求されます。それぞれが大量のサンプルを 必要とします。 SATA 測定プラットフォームの選択では、帯域幅以外の 要素が指針となることが多くあります。RT オシロスコー プは、研究開発部門のいたるところに存在するため、測定 作業に既存の機器を使用することもできます。それらの汎 用機器にシリアル測定ソフトウェア・ツールと高速差動プ ローブなどのアクセサリを備えると、アプリケーションに 特化した強力な解析プラットフォームになります。 2 PRBS は、SATA I テストや SATA II テストには特に必要ではありません。 10 www.tektronix.co.jp ET プラットフォームは、最高速の技術に対する唯一のソ リューションとして常に残る可能性があります。ET 機器 は、その 70GHz の帯域幅がほとんどのシリアル測定に 必要な帯域幅を大幅に超えているにもかかわらず、都合 のよいソリューションになることがあります。ET オシロ スコープは、システム内のリンク要素（PCB 配線、コネ クタ、およびケーブル）に対する必須の TDR ベースのイ ンピーダンス測定に選択されるツールであるため、その 他のテストにも利用できる可能性があります。近年登場 した高性能なジッタ測定ソフトウェア（時間ジッタとノ イズ関連の「垂直」ジッタの両方に対応）は、ET オシロ スコープにとってトランスミッタ・テスト用のもう 1 つ のツールセットになります。ET プラットフォームは、機 器のノイズとジッタが最も少なく、高速シリアル測定が 必要な場合は常に候補となります。 ただし、ET オシロスコープには繰り返し信号が必要であ り、この条件が常に満たされるとは限りません。トラブ ルシューティングやシングルショットのアクイジション が日常的な測定には、あまり適していません。 一般に、RT オシロスコープは、SATA トランスミッタの コンプライアンス・テストなどの測定によく使用されま す。この章では、この作業にリアルタイム機器を使用す ることに焦点を当てます。 RT オシロスコープの実証済みのアーキテクチャには、 デジタル・ストレージ・オシロスコープ（DSO）とデジ タル・フォスファ・オシロスコープ（DPO）の 2 つがあり ます。どちらのアーキテクチャでも、SATA I や SATA II などのシリアル・バス技術の要求を満たす十分な帯域幅、 レコード長、およびタイミング確度を備えたモデルが提 供されています。これらの機器の多くは、初期セット アップからアイ・ダイアグラムの表示および統計解析に 至るまで、すべての作業を迅速に処理するオンボードの シリアル測定ソフトウェア・アプリケーションを実行で きます。 システム検証 入門書 リアルタイム・オシロスコープか、等価時間オシロスコープか？正しい選択を。 RT プラットフォームも ET プラットフォームもそれぞ れデジタル・シリアル解析に対する強みがあります。 RT オシロスコープは、トラブルシューティングに多機 能性と効率性をもたらし、そのままでデジタル・シリア ル解析作業に適応できます。ET オシロスコープは、帯 域幅が非常に広く、測定で発生するジッタとノイズはほ とんどゼロに近くなります。シリアル・バス･システム にかかわる多くの研究開発部門や設計部門では、両方の プラットフォームを効率的に使用できます。表 2-2 と 2-3 に、これらのツールの利点をまとめます。 リアルタイム・アクイジション 利点 • トラブルシューティングとデバッグに適した ツール • 高速のリアルタイム・アクイジション • 長いレコード長 • レコード検索ツール • 不定期または不規則に発生するイベントを完全 に取り込むことができる • 過渡的現象を簡単に取り込むことができる • 1 つの機器ですべての規格がサポートされている • ハードウェア・ツールおよびソフトウェア・アプリ ケーションが先行規格に対応している • ソフトウェアまたはハードウェアのクロック・ リカバリ • ソフトウェアのクロック・リカバリは多くの規格に 対応する柔軟性を備えている • ソフトウェア解析パッケージは、SSC などに対応する • 長いレコード長：100M ポイント • フル・サンプル・レートで 4 ミリ秒に相当するサン プルを取り込む • 汎用プローブの幅広い選択肢 • シングルエンド、差動、さまざまな帯域幅、および接 続オプション • グリッチ、Runt（ラント）、logic pattern （ロジック・パターン）での拡張トリガの内蔵 • 疑わしい問題の検出を早める • ハードウェアベースの NRZ シリアル・パターン・ トリガ（最高 3.125Gbps） • シリアル・データ・ストリームのデバッグ作業を簡単 にする 表 2-2 等価時間アクイジション 利点 • 高速デジタル・シリアル解析、特性の評価、 およびコンプライアンス・テストに適した ツール • • • • 最広の帯域幅（最大 100GHz） 優れた時間軸確度および垂直軸確度 最高のジッタ性能およびノイズ性能 ソフトウェア・ツールによりアイ・ダイアグラムと ジッタの解析時間を短縮 • メインフレームベースのアーキテクチャのモジュ ラ・プラグイン • 特定の規格と要件に対して容易に構成を最適化 • コスト効率が高く、使用されない余分な「内蔵」 ツールを削減 • 8 つの電気チャンネルまで拡張可能 • ハードウェアのクロック・リカバリ • クロック・リカバリおよびデータ・リカバリ用プラ グイン・モジュール • 連続的なアクイジション • 連続信号に対して 4k レコード長のアイ・ダイアグ ラムとジッタ解析をサポート • TDR 測定 • インピーダンス特性評価用のシングルエンドおよび 差動 TDR モジュール • 相互接続テストの最適なソリューション • シリアル・デジタル・ネットワーク解析 • BER 解析、SPICE モデリングなどをサポートする 強力なソフトウェア・ツール 表 2-3 www.tektronix.co.jp 11 システム検証 入門書 図 2-1：高速デジタル・シリアル解析アプリケーションに適した SMA 差動 オシロスコープ・プローブ 図 2-2：クリーンで信頼できる高速信号のアクイジションには SATA フィ クスチャが必要です。 プローブとプロービング トラブルシューティング時には、SMA コネクタを介して 常に DUT に接続できるとは限りません。トラブルシュー ティングのような作業には、移動可能な差動プローブが 正しい選択肢です。その場合も、プローブは 1 つのオシ ロスコープ入力を通して差動信号ペアの両方の信号を取 り込みます。 この入門書全体から、SATA 要素にも、また他のシリア ル・デバイスにも、コンプライアンス・テスト、トラブ ルシューティング、および検証の各作業のために差動測 定が必要なことがわかります。シリアル・コンポーネン トは、今日のシステムが要求する高いデータ・レートを 実現するために高速で小振幅の信号に依存しています。 差動信号は、干渉ノイズやクロストークからこれらの信 号を保護します。ただし、設計者の観点からすれば、こ のことは、すべてのデータ・チャンネルについて 2 つの コンプリメンタリ信号（ミラー・イメージ）をテスト対 象のデバイスからオシロスコープのアクイジション・シ ステムまで渡さなければならないことを意味します。 差動測定を行うための接続には 2 つの方法があります。 1 つは、オシロスコープの 2 つのチャンネルを使用し、 各チャンネルで信号の差動ペアを取り込みます。結果の 波形は、機器内蔵の演算機能を使用して算出されます。 当然、これには 2 つのチャンネルに対する慎重なデス キューと、各チャンネルを DUT に接続するための同一の ケーブルが必要です。 もう 1 つの方法（図 2-1 を参照）では、専用の差動プ ローブを使用します。1 つのプローブ（2 つの入力とオ シロスコープへの 1 つの出力）で、差動信号ペアの両方 の信号を取り込みます。プローブ・ケーブルは、DUT の SATA コネクタへの変換フィクスチャとプローブを接続 し、プローブの SMA コネクタで終端されます。この統合 型差動プローブは、機器と DUT 間の接続を容易にし、ス キューの相違を最小にします。また、オシロスコープの 1 つの入力のみを使用するため、同時に観測する必要が ある差動チャンネルが複数ある場合に役に立ちます。 12 www.tektronix.co.jp フィクスチャ どのような種類のコンプライアンス・テストでも、測定 機器と DUT との間にはフィクスチャが必要です。フィク スチャを使用する目的は 2 つあります。1 つは、優れた 設計のフィクスチャにより、観測信号のインテグリティ が保持されます。多くの高速測定では、正確なフィクス チャによってのみ、正確で再現性のある結果が保証され ます。フィクスチャが正確でなければ、ノイズ、アベ レーション、立上り時間の悪化などの影響により、信号 が役に立たなくなってしまいます。 もう 1 つは、フィクスチャにより、テストの実行者に関 係なく、DUT に同じベースラインの信号環境が保証され ます。フィクスチャは、正しいインピーダンス、一致し たパス長、接続コネクタ、および接続のための機械的な サポートを備えた媒体です。フィクスチャ自体も仕様に 適合している必要があります。仕様に適合していること で、一貫したインピーダンス制御のインタフェースが提 供され、測定に影響する変動が最小限に抑えられます。 SATA や他のシリアル・バス（HDMI、FB-DIMM など） 用のフィクスチャは市販されています。フィクスチャ専 門のベンダと機器の製造元は、対応するツールの互換性 を保証するために協力しています。図 2-2 は、近端用、 遠端用、および実信号プローブ用の SATA フィクスチャ のセットを示しています。 システム検証 入門書 測定アプリケーション・ソフトウェアと関連ツール SATA PHY と TSG（送信信号要件）のテストに指定さ れた測定では、多くのテスト・パターンを含む取り込ま れた SATA 波形に対して、複雑な統計解析を行います。 これらの測定には、オシロスコープ操作のセットアップ や、合否結果または定量結果の解釈など、複雑な手順が 含まれます。波形表示は、大量のデータを表します。た とえば、ジッタには通常、多くのエッジ・タイミング変 動があるため、肉眼で 1 つのエッジを区別することは不 可能です。さらに、ジッタ解析で重要なのは、個々の エッジの位置ではなく、すべてのエッジ位置の統計的な 概要です。 このような作業は、コンピュータによる自動化と解析に 適しています。コンプライアンス・テストの要求を考慮 した場合、アプリケーションに特化したソフトウェア・ ツールは必要不可欠です。 現在の多くの RT オシロスコープには、アイ・ダイアグラ ム解析ソフトウェアやジッタ測定／解析ソフトウェアを 装備できます。そのようなオシロスコープには、機器上 でアプリケーションを実行できるコンピュータ・プラッ トフォームが統合されています。SATA や PCI Express などの特定の規格へのアプリケーションの追加は、個々 のプラグインによって行われます。リアルタイム・ア イ・ダイアグラム・ツールの場合は、取り込んだ信号 データをアプリケーションで後処理して、詳細なアイと 数値形式で表現された実際の測定結果を生成します。エ ンベデッド・クロックは、ソフトウェアにより抽出され ます。アイにマスクを適用して、「ヒット」を自動的に計 算できます。ヒストグラムも自動的に生成されます。 3 一部の ET オシロスコープでは、ジッタの垂直（振幅方向） コンポーネントの取り込み、分離、および解析を行う ツールを追加することにより、ジッタ測定のレベルを高 めています。前述のように、ET オシロスコープはオシロ スコープ・プラットフォームの中で最高の帯域を提供で きます。それに加え、ノイズ・フロアと内部ジッタは最 小限に抑えられます。ET の手法は、RT アプリケーショ ン・パッケージの手法とは異なります。クロックの抽出 は、ソフトウェアではなくハードウェアで行われます。 アプリケーションではサンプル・データベースが構築さ れます。このデータベースを使用して、数値レポートか ら、実際のビット・エラー・レートに相関を持つ 3 次元 曲線のレポートに至るまで、さまざまなレポートを生成 できます。 この章で後述する測定例では、ジッタとアイ・ダイアグ ラムの両方のソフトウェア・パッケージを使用します。 RT 機器とソフトウェア・ツールが SATA テストでどの ように連係して動作するかについては、図 2-5 と図 2-7 を参照してください。 役に立つアプリケーション・ツールセットの 3 つ目とし て、パターン・データによって DUT を駆動および制御す るための柔軟な制御オプションを提供するハードウェア とソフトウェアのペアがあります（「パターンの使用」の セクションを参照）。図 2-3 は、パターン制御アプリケー ションのユーザ画面を示しています。このアプリケー ションはハードウェア・エミュレータ･ツールを管理する PC に常駐します。このツールは、測定プラットフォーム から独立しており、市販されています 3。このアプリケー ションを使用して、適合性測定、プロトコルのデバッグ、 および関連テスト用に、ホスト・デバイスを必要な状態 に設定できます。 Catalyst Enterprises, Inc. http://www.getcatalyst.com/index.html www.tektronix.co.jp 13 システム検証 入門書 図 2-3：SATA コンプライアンス・テストをサポートするために使用できるパターン制御ツール。 このパッケージにより、HFTP、MFTP、LBP などの標準パターンが管理されます。 パターンの使用 SATA 仕様では、ホストとドライブが BISTFIS（Built-In Self-Test Frame Information Structure）モードをサ ポートすることを要求しています。BISTFIS にはいくつ かのモードが定義されていますが、一般に使用されるのは BIST-T（パターン生成）と BIST-L（ループバック）です。 SATA コンプライアンス・テストには、特定のデータ・ パターンが必要です。このパターンは、いったん開始さ れると、デバイスの BIST 要素によって維持されます。規 定されたテストの実行でそれらの定義済みパターンが使 用されない限り、テスト結果は無意味となります。 システムによっては、ホスト自体が BIST パターンを開 始できる機能を備えています。また、ホスト・ポートを BIST モードにプログラムするための外部ハードウェア・ デバイスが必要なシステムもあります。実際には、すべ てのホスト・デバイスで動作が保証されている単一の BIST 開始方法はありません。任意波形ジェネレータで一 連の SATA コマンドをホストに送信し、ホストを BISTL（ループバック）モードにする手順が開発されています。 14 www.tektronix.co.jp HDD 側では、ほとんどのドライブに規格準拠の「BIST-T」 専用回路が組み込まれています。この回路は、パターン 制御アプリケーションを実行する外部のシステム初期化 ハードウェアによって起動できます。初期化後、パター ンは、外部デバイスからの介入なしに、フリーランとな ります。これが BISTFIS モードです。BIST-T 機能がな いドライブには、PHY テスト用に外部パターン入力を受 け入れる機構があります。ドライブの回転ディスクその ものは、それらのやり取りに関与しません。トランス ミッタのテスト時には、プラッタからデータを読み取る ことも、プラッタにデータを書き込むこともしません。 システム検証 入門書 「パターン」とは？ データ・パターンとは、事前定義された、予測可能な 一連のバイナリ情報です。アルゴリズムによってリア ルタイムで生成するか、ビット単位でメモリに格納し て必要なときにクロック出力する方法があります。 「パターン」という用語は、初期のランダム・アクセ ス･メモリのテストで、チェッカーボード・パターンの イメージをデバイスにロードして読み出したことに由 来します。イメージは実際に 0 と 1 が交互に現れる チェッカーボードに似ていました。この用語は現在で も使用されており、その意味は拡大され、デジタル・ スティミュラス・データとして使用される、シリアル またはパラレルのほとんどの標準化バイナリ・シーケ ンスも含まれます。 SATA トランスミッタ・テスト仕様は、その PHY テ ストと TSG テストで、複数のパターンを規定している 点で他とは異なります。他のほとんどの規格では、目 的ごとに規定されるパターンは 1 つだけです。SATA パターンは、次のとおりです。 図 2-4：SATA 準拠用の業界標準テスト・パターン。一番下のトレース の矢印は、LBP パターンの「ローン・ビット」を示します。 HFTP – 高周波数のテスト･パターン MFTP – 中周波数のテスト・パターン LFTP – 低周波数のテスト・パターン LBP – ローン・ビット・パターン アイ・ダイアグラム：診断、デバッグ、および評価 のためのソリューション アイ・ダイアグラムは、シリアル伝送信号の検証テスト用 の多用途なツールです。通常はオシロスコープの表示であ り、高速デジタル信号の問題をすばやく発見できます。 アイ・ダイアグラムは、多数の連続したユニット・イン ターバル（UI）の波形トレースを重ね書きすることで作 り出されます。アイ・ダイアグラムでは、ハードウェア またはソフトウェアのツールによりデータ信号から再生 したクロックを基準にしたシリアル・データが表示され ます。正方向と負方向のすべてのトランジション（エッ ジ）と両方のデータ・ステートが、1 つのウィンドウに 表示されます。結果として現れるイメージは、目の形に 見えます。 HFTP パターンは、サイクルごとにステート（エッジ） が変化し、MFTP と LFTP は連続することで、さらに 低い周波数の変化を実現します。LBP パターンは、前 に 4 つ「0」のビット、「1」、後に 3 つ「0」のビット が繰り返すパターンです。図 2-4 は、4 つのパターン をバイナリ形式で示しています。 すべての高速シリアル・デバイス仕様では、その目の内 側と周囲に違反ゾーンを定義しています。通常、コンプ ライアンス・テストでは信号が違反ゾーンを越えて領域 内に入ることは許されません。アイ・ダイアグラムのア プリケーション・ソフトウェアでは、オシロスコープの ディスプレイ上にゾーン境界を示す「マスク」が表示さ れます。このマスクによって、復調信号からデータ・コ ンテンツ（バイナリ・ステート）を抽出するための安全 領域が可視化されます。図 2-5 は、オシロスコープ上で 自動化されたアイ・ダイアグラム・アプリケーションに よるデジタル・シリアル解析の一例を示しています。 www.tektronix.co.jp 15 システム検証 入門書 図 2-5：アイ・ダイアグラムおよび表形式で結果を表示するアイ・ダイアグラム・アプリケーションの画面。 このサマリにはジッタの測定も含まれています。 図 2-5 では、青い部分がマスク境界です。たとえば、信 号のピークが下側のバーに入り込んだ場合、それは「マ スク・ヒット」とみなされてコンプライアンス・テスト に不合格となることがあります 4。一般に、ノイズ、歪み、 トランジェント、またはジッタは、トレースを太くする 原因になります。アイの開きが「小さくなり」、内部の青 い多角形（マスク）に触れます。データ・ビットのス テートの評価用に規定されている領域に侵入するため、 これもまた適合性に不合格となります。 4 アイ・ダイアグラムの優れた点は、信号品質の評価が一 目でわかることです。多くの情報が表示されているので、 セットアップや波形取り込み方法が難しそうに見えます。 ただし、市販されている構成済みのアイ・ダイアグラ ム・ソフトウェア・ツールでは、複雑なクロック・リカ バリ、トリガ、およびスケーリングが自動的に行われ、 データが定量的に測定されます。これらの機能を使えば、 アイ・ダイアグラム測定は「ボタン 1 つ」の操作になり ます。 主なシリアル規格の中で特異な点として、SATA は最高電圧の超過が原因で起きるマスク・ヒットを限定数だけ認めています。これらのマスク・ヒットはマスクの上側のバーに入り込むように見えます。 4 つの標準データ・パターンすべてのテスト結果を統計的に解析することにより、この許容ヒット数が計算されます。 16 www.tektronix.co.jp システム検証 入門書 3 種類のトランスミッタ・テスト トランスミッタの物理層のコンプライアンス・テストに は、3 つのカテゴリの測定があります 5。 PHY 測定 PHY-01：ユニット・インターバル PHY-02：長期周波数安定度 PHY-03：スペクトラム拡散変調周波数 PHY-04：スペクトラム拡散変調偏差 PHY テストでは SATA 仕様の一般信号要件を網羅し、 基本的にはサイクル長（ユニット・インターバル）や、 スペクトラム拡散クロック（SSC）の動作を含むクロッ ク性能といった、SATA の信号環境の基礎にあるタイミ ング特性を評価します。 スペクトラム拡散クロッキング（SSC）は、PC のマ ザーボードや SATA ドライブなどのデバイスからの放射 妨害波の放出を最小化する設計に用いられます。ほんの 数ピコ秒の変調で放射問題を大幅に削減できます。ク ロックは SATA バス上のすべてのやり取りに影響を与え るため、レンジと許容度は重要です。SSC の変調周波数 は 30 ∼ 33kHz の範囲内であり、一方、変調偏差は公称 周波数の 0.035% から、全体で +0%/-0.5% の「ダウ ンスプレッド」範囲内に収めなければなりません。 RT オシロスコープまたは ET オシロスコープ上で動作す る高機能ジッタ測定アプリケーションでは、これらの項目 のアクイジションと解析を自動的に行うことができます。 送信信号測定 TSG-01：差動出力電圧 TSG の測定では、電圧、スキュー、エッジ時間といった SATA 信号の「アナログ」的な側面を調べます。また、 この測定には、さまざまなサンプルにわたるジッタ測定 も含まれます。テストは通常、RT オシロスコープ・プ ラットフォーム上で動作するアイ・ダイアグラム・ツー ルまたはジッタ・アプリケーションのいずれかを使って 行いますが、振幅インバランス・テストではオシロス コープの本来の測定機能だけで十分です。 アウト・オブ・バンド（OOB）測定 OOB-01： OOB 信号ディテクション・スレッショ ルド OOB-02： OOB シグナリング中の UI OOB-03： COMINIT/RESET および COMWAKE の 送信バースト長 OOB-04： COMINIT/RESET 送信ギャップ長 OOB-05： COMWAKE 送信ギャップ長 OOB-06： COMWAKE ギャップ・ディテクション・ ウィンドウ OOB-07： COMINIT ギャップ・ディテクション・ ウィンドウ アウト・オブ・バンド測定は、データ特性ではなく、シ グナリング・パラメータに関係しています。OOB シグナ リングは、2 つの SATA デバイスが、送信を開始するか、 送信中の通信について通知を交換するのに使用される手 段で、ハンドシェイクとしても知られています。OOB 信 号は、アイ・ダイアグラムのアプリケーション・ソフト ウェアまたはオシロスコープの内蔵測定ツールによって 評価できます。 TSG-02：立上り時間／立下り時間 TSG-03：差動スキュー TSG-04： AC 同相電圧 TSG-05：立上り／立下り時のインバランス TSG-06：振幅インバランス TSG-07：コネクタでのトータル・ジッタ（TJ）、 データ、5UI TSG-08：コネクタでのデターミニスティック・ジッ タ（DJ） 、データ、5UI TSG-09：コネクタでの TJ、データ、250UI TSG-10：コネクタでの DJ、データ、250UI TSG-11：コネクタでの TJ、クロック、500UI TSG-12：コネクタでの DJ、クロック、500UI 5 この他に、この入門書で触れているリンク・テストに似たインピーダンス関連の測定（TDR を使用）がいくつかあります。 www.tektronix.co.jp 17 システム検証 入門書 送信の立上り時間／立下り時間のテスト テストの進め方： ホスト上のパターン制御アプリケーションを使用して、 DUT を BISTFIS モードに設定し HFTP パターンまた は等価のパターンを出力させます。パターンにはオプ ションでスペクトラム拡散クロッキングを含めること ができます。 BIST-T がホストで使用できない場合は、外部の機器や システムを使用してホストを BIST-L モードにし、ホス トのレシーバ・チャンネルにテスト・パターンを送り 込みます。このテスト・パターンがホストのトランス ミッタに自動的に再転送（リタイムド･ループバック） され、テストが実行できるようになります。 図 2-6：RT オシロスコープは、テスト・フィクスチャに接続された差動 SMA プローブ経由で DUT からの信号を受け取ります。2 本の 50Ω のケーブル が、コンプリメンタリ信号ペアの片方をそれぞれ伝えます。2 つの独立したシング ルエンド接続と、オシロスコープの 2 つのチャンネルを使用することも可能です。 トランスミッタ測定の例 このセクションでは、ホストの役目も果たす PC マザー ボード上の SATA トランスミッタにおける物理層の測定 例をいくつか示します。この手順は、SATA ドライブ上 のトランスミッタにも適用できます。この入門書で紹介 しているテストの例などは、一般的な MOI（Methods of Implementation）文書からの引用です。MOI 文書で は、特定のシリアル規格（ここでは SATA）でのコンプ ライアンス・テストの具体的な手順や計装が説明されて います。テスト装置のベンダは自社の測定製品を使って 手順を開発および検証した後に MOI を作成します。これ らの文書は通常、www.tektronix.com などの Web サイ トで入手できます。テスト計画を立てたり、シリアル・ デバイス用の機器を選択したりする際には、いつも最初 に MOI を調べるとよいでしょう。 測定の構成 図 2-6 は、PHY および TSG 測定の一般的な構成を示し ています。このイメージではオシロスコープ上の真の差 動プローブを示していますが、機器の 2 つのチャンネル に別々のプローブ（SMA ケーブル）をつなげて擬似的な 差動構成を使うこともできます。擬似的な差動方式を使 う場合は、オシロスコープの演算機能で差動の測定値を 簡単に計算できます。 18 www.tektronix.co.jp DUT 自体がコントローラ（ホスト）の場合は、ここで SATA フィクスチャを DUT に接続します。DUT がド ライブの場合は、SATA のホスト制御システムを DUT から切り離し、そこへ SATA のテスト・フィクスチャ を接続します。 オシロスコープ上でアイ・ダイアグラム・アプリケー ションを起動します。この種のアプリケーションには 通常、さまざまなシリアル規格向けのプラグインまた はソフトウェア・モジュールが付属しています。メ ニューから SATA モジュールを選択します。 タイミング測定メニューから立上り時間および立下り 時間を選択します。高機能のアプリケーションには、 SATA I および SATA II の使用モデル用の立上り時間／ 立下り時間のリファレンス波形が含まれています。適切 なモデルを選択します。 ユニット・インターバル数を設定します。いずれの使用 モデルでも 100,000 を超える UI が必要です。推奨設 定は 150,000 UI です。 システム検証 入門書 図 2-7：送信の立上り時間／立下り時間測定の結果の表示 結果はほぼ瞬時に表示されます。図 2-7 は、アイ・ ダイアグラム・アプリケーション（この場合は当社の TDSRT-Eye™ パッケージ）の一般的な結果ページを示 しています。テストは、全種類のパターンを対象に、適 用可能なデータ・レートで繰り返し行う必要があります。 SATA I のエッジの立上り時間／立下り時間は、100ps 以上 273ps 以下でなければなりません。SATA II のエッ ジの立上り時間／立下り時間は、67ps 以上 137ps 以下 でなければなりません。図 2-7 が示すとおり、このデバ イスは合格しました。結果はピコ秒ではなく、ユニット・ インターバルに比した 10 進値として示されていること に注意してください。図のアプリケーションでは、「タイ ム・ユニット」は秒単位またはユニット・インターバル （UI）に設定できます。仕様によっては、UI に関する制限 を使って記述されていたり、秒に関する制限を使って記述 されていたりするため、これはユーザにとって便利です。 この例を見ると、アイ・ダイアグラム・アプリケーショ ンの有用性がわかります。仕様ではアイ・ダイアグラム の生成は必須作業として規定されていないので、ユーザ は必要なテストのみを選択し、この例のように実際のア イ・ダイアグラムを生成せずに済ませることができます。 ただし、このアプリケーションには、他の重要かつ不可 欠なシリアル測定を自動化する機能が含まれています。 www.tektronix.co.jp 19 システム検証 入門書 図 2-8：ジッタ測定の結果表示 コネクタでのトータル・ジッタ、データ、250UI こ の テ ス ト は 、S A T A I の デ バ イ ス に 必 要 な も の で 、 SATA II 要素には該当しません6。 DJ テストに使用する測定ハードウェアの構成は、立上り 時間／立下り時間のテスト（図 2-7）で使用したものと 同じです。ただし、アイ・ダイアグラム・パッケージの 代わりに、ジッタ測定ソフトウェア・アプリケーション を使用します。 初期化と接続の手順は、立上り時間／立下り時間のテスト に似ています。DUT を初期化し、BISTFIS モードに設定 で HFTP パターンを使って実行（測定）します。 オシロスコープのタイムベースを 10µs/div（サンプ ル・レートは 50ps/pt）に設定するか、このステップ を実行するプリセットを呼び出します。 ジッタ測定アプリケーションを起動し、SATA I ジッ タ・リファレンス波形（高機能のジッタ・アプリケー ションに含まれる）をロードします。 使用するツールセットの該当する MOI の説明に従っ て、機器固有のセットアップ・ステップを実行します。 測定を実行します。図 2-8 は、結果画面を示してい ます。 このテストは、HFTP パターンと併せて LBP（ローン・ ビット・パターン）でも行う必要があります。 6 SATA 仕様によれば、コネクタでの DJ（データ、250UI） の値は、1.5Gbps（SATA I）デバイスで 0.22UI 以下と なっています。結果画面は、この例では DUT がテストに 合格したことを示しています。測定の確度は、2ps rms の見積もりジッタ・ノイズ・フロア（JNF）に基づいてい ます。 OOB テスト 信号ディテクション・スレッショルドのようなトランス ミッタのアウト・オブ・バンド・テストは、レシーバ側 で行われるテストによく似ています。OOB 測定の例につ いては、第 4 章を参照してください。 トランスミッタの測定：まとめ トランスミッタの測定では、データが、最良の条件下で、 リンクを介して他のシステム要素に伝達されることを確 認します。多くのテストを行って、信号の振幅、ジッタ、 エッジの特性などを調べます。 オシロスコープは、トランスミッタの測定ソリューショ ンとして広く受け入れられています。RT および ET のど ちらのプラットフォームにも、独自の利点があります。 RT ツールでは、トラブルシューティングの時間を短縮で きます。ET ツールでは、最高の帯域幅を持ちながら、低 ノイズおよび低ジッタでの優れた確度を実現します。ど ちらのプラットフォームも、厳格なアイ・ダイアグラム やジッタの測定を自動化する強力な統合ソフトウェア・ ツールを利用できます。 この不一致は、第一世代の SATA デバイスの初期のテストに遡ります。元の仕様では、「n サイクル」の測定値を使用しました。これは、テストを実行する必要があるサイクルの数を指定します。テス トは、5UI および 250UI の長さで行う必要があると定められました。その後、何年にもわたって多くの経験を重ね、業界のテスト委員会やワーキング・グループが仕様を改善してきました。現時点で は、SATA II ジッタ・テストは、TSG-10 および TSG-11 に記述されているようにタイム・インターバルのエラー・テストの方向に進んでいます。 20 www.tektronix.co.jp システム検証 入門書 第 3 章：インピーダンス測定とリンク測定による信号の潜在的な問題の早期発見 デジタル・シリアル解析の対象範囲は、アクティブ・コ ンポーネントと共に、ケーブル、コネクタ、PCB 配線を 含む「受動」要素も網羅している必要があります。トラ ンスミッタとレシーバ間のリンク特性を理解することは 重要です。ほとんどの高速プロトコルでは、リンク全体 で公称値 50Ω のインピーダンス（100Ω 差動）が必要 です。この仕様に準拠することは、規定上必要なだけで なく、パスを流れる信号の劣化を最小限に抑えるために も大変重要です。 共に広範なインピーダンス・パラメータをサポートしま す。シリアル・データ・ネットワーク解析は、もはやベク トル・ネットワーク・アナライザ・プラットフォームのも のだけではありません。今日の ET オシロスコープは、シ リアル・アプリケーション向けの十分なダイナミック・レ ンジを持ち、妥協のない SDNA 測定を可能とする性能を 提供します。また、SDNA の作業を効率的かつ簡単に行 うための多数のソフトウェア・ツールが存在します。 近年の設計ツールでは、高速プロトコルに対する適切な インピーダンス規則を実装していますが、物理的現象、回 路基板材料、または人的ミスによって不測の誤差が生じ ます。その結果、多くの開発者は、インピーダンス特性 を検証する厳格なプロセスがあれば早期に問題を検知し 修正できることに気づきました。ベンダに大量の発注を 行う前に、必要に応じて、設計の選択肢を再考できます。 インピーダンス測定で使用するツールには、TDR モ ジュール搭載のサンプリング・オシロスコープを選択し ます。TDR モジュールは、ライブ信号のシグナル・イン テグリティが時間領域で解析されるのと同様に、信号の 伝送環境を時間領域で解析できるようにします。 この入門書のテーマであるトランスミッタとレシーバの ペアのように、おそらく数百にも及ぶ多数のチャンネル を持つ本格的なシステムを想像してみてください。使用 されるコネクタは、システムの製造にかかる資材コスト の大きな部分を占めることでしょう。ケーブルは長さや 性能が均一である必要があり、これもまた単純な PCB 配 線に比べるとコストがかかります。これらの要素のイン ピーダンス特性を評価することが、この分野のシステム でコスト効率の高い設計を行う鍵となります。 インピーダンス関連の測定は、大部分において、2 つの プラットフォームのいずれかに依存します。TDR（Time Domain Reflectometry）は、従来からあるインピーダ ンス測定技術の基礎です。このオシロスコープ・ベース のツールは、小さな回路要素を詳細に分析し、被測定装 置の全パスにわたって正確な読み取りを提供します。 シリアル・データ・ネットワーク解析（SDNA）手法は、 もう 1 つの選択肢です。この手法は元々、RF アプリケー ション用に開発されたベクトル・ネットワーク・アナラ イザというツールに含まれていました。 インピーダンス測定の基礎 TDR は、伝送環境を伝わる信号から生じる反射を測定し ます。TDR 機器は、被測定装置（この場合はケーブルと コネクタ）に高速ステップ・パルスを入射し、伝送環境 から観測した反射を表示します。 TDR の表示は、入射ステップ・パルスと伝送媒体からの 反射を含む電圧波形です。不連続点が、より誘導性かよ り容量性かに応じて、それぞれ反射波がステップ波振幅 に加わるか減じられるかが決まります。 インピーダンスの不連続点からの反射波の立上り時間は、 入射ステップ・パルスと同等か、多くの場合それより幾 分遅くなります。回路内の任意の 2 つの不連続点間の物 理的距離が、TDR 波形上で各反射がどれほど接近した位 置に来るかを決定します。2 つの隣接する不連続点は、 その 2 点間の距離がシステム立上り時間の半分に満たな い場合、測定機器では区別がつかない可能性があります。 特に、短い配線を測定する際には、入射ステップ・パル スの品質が重要です。速い立上り時間に加え、振幅に関 してステップが正確で、またアベレーションがないこと が必要です。 SDNA は、S パラメータ（この章で後述）を引き出す周 波数領域のツールセットで、そのデータを使用して、 SPICE モデリング、ビット・エラー・レート予測などと www.tektronix.co.jp 21 システム検証 入門書 真の差動 TDR 測定 SATA および他のほとんどの高速シリアル規格は、コン プリメンタリ信号を使う差動伝送技法に依存しています。 2 本の導体が時間の一致したミラー・イメージの信号を 伝播します。シングルエンドより複雑ですが、差動伝送 はクロストークや誘導ノイズのような外部の影響を受け ることが少なく、またそれらの影響を外部に与えること も少なくて済みます。 これらの差動パスでは、差動 TDR 測定が必要です。入射 パルスを差動ペアの両サイドに送信し、反射を測定する 必要があります。これには 2 つの方法があります。 「仮想的」または「計算による」差動 TDR 方式。TDR で は、2 つの正の入射ステップを順次、差動ペアの両側に 送出します。また、測定波形をオシロスコープの画面に 表示する前に、極性と位置を修正します。 真の差動 TDR 方式。TDR では、時間的に正確に一致し た本当のコンプリメンタリ信号を送出します。エンド ユーザのアプリケーションで実際に近い差動スティミュ ラス信号を受け取り、使用時のデバイスの応答に近い様 子を見ることができます。TDR システムでは、表示する ステップ位置を操作する必要はありません。 計算による差動 TDR 方式でも、多くの実際的な状況にお いて有効な結果を得ることはできます。ただし、次のい くつかの重要な理由により、最新の真の差動 TDR 方式が 設計者から幅広く受け入れられています。 一部のプロトコル規格は、電源の入ったデバイス上で 測定を行うように定めています。たとえば、SATA ド ライブの Rx/Tx の測定がこれに当たります。DUT で 電源を投入して差動伝送を使った測定が必要な場合は、 順次に入射する方法では十分とは言えません。 信号に非線形性がある場合、差動でない信号から差動 表示を合成するための計算にはエラーが含まれます。 そのようなエラーを検出するのは大変難しいことです。 22 www.tektronix.co.jp システム検証 入門書 図 3-1：TDR インピーダンス測定画面 セットアップと接続 TDR による基本的なインピーダンスの測定 TDR 測定の有効度は、その機器自体の特性や、DUT と の間のパスを理解しているかどうかにかかっています。 そのため、インピーダンス測定を始める前に、その両方 を事前にキャリブレーションすることが不可欠です。 TDR は、2 つの SMA フィクスチャが両端に付いた SATA ケーブルに接続されます。このフィクスチャを通 して、ステップ信号および応答信号が伝わります。フィ クスチャは、オシロスコープの SMA コネクタを、ケーブ ルに装着された標準 SATA コネクタに接続します。入射 ステップは、ケーブル自体の影響だけでなく、フィクス チャのコネクタの影響も受けることになります。ケーブ ルの遠端にターミネーションがない場合、TDR トレース は無限大のインピーダンスに入ります。 サンプリング・オシロスコープ自体も、機器の内部ク ロック出力をリファレンス信号として使用できます。こ の信号を 1 つのチャンネルに入力し、使用する他の全 チャンネルとの比較のために保存します。保存したリ ファレンス信号と各チャンネルの遅延を測定し、適切な チャンネル・デスキュー（タイム・オフセット）の値を 入力します。 機器を DUT に接続するケーブルを伝わる TDR パルス は、ケーブルの末端に正確に同時に到達しなければなり ません。これを保証するキャリブレーション・プロセス は、前のステップのキャリブレーションに似ています。 遅延差を計測し、すべてのケーブルの応答を等しくする ためのデスキュー値を記録します。 TDR の画面では、信号パスでのインピーダンス変動につ いて詳しく見ることができます。図 3-1 は、インピーダ ンス測定を示す一般的な TDR 画面です。 これらのプロセスにより、TDR の使用する全チャンネル を 2ps の範囲内で一致させなければなりません。 www.tektronix.co.jp 23 システム検証 入門書 図 3-2：TDR のインピーダンス測定では、トレースの振幅によってインピーダンスの変動が表されます。 図 3-2 は、結果を簡略化したものです。トレースの長さ はケーブル長に依存しますが、1 本のトレース上のすべ てのイベントを示すため、水平軸スケールは縮めてあり ます。すべてのイベントを TDR 上で詳しく見るには、水 平軸（時間軸）スケールを拡大して波形レコードをスク ロールしなければならない場合があります。インピーダ ンスの表示は左から右に読みます。左端のイベントは、 信号の発生源であるステップ・ジェネレータに物理的に 最も近いものです。ここでも、これらのイベントは入射 ステップからのエネルギを受け取った際に、信号パスに 沿って、要素から生成される反射です。完全なターミ ネーションを持つ完全なパスでは、反射は生成されませ ん。しかし、実世界にはそのような信号パスはありえま せん。インピーダンス変動を理解し、それを配慮するの は設計者の役割です。 24 www.tektronix.co.jp 図 3-2 では、最初のステップ・トランジションの先頭で、 ステップ・ジェネレータ自体に起因する瞬間的なオー バーシュートが見られます。イベント「1」は、ステップ がフィクスチャの入力コネクタを通過していることを意 味します。イベント「2」と「3」は、インピーダンス・ プロファイルの比較的大きな乱れによる TDR の通常の応 答です。これらの偏差は許容範囲内かもしれませんが、 ケーブルに付属する、低価格の、一般ユーザ向け品質の コネクタと、計装品質を備えたフィクスチャ上の SMA コ ネクタとの間の差は歴然です。 システム検証 入門書 インピーダンス測定や他の測定方法を変える新しいツール 新しいクラスのソフトウェア・ツールが TDR/T（Time Domain Reflectometry および Time Domain Transmission）インピーダンス測定のプロセスを変えつ つあります。これらのツールは、信号ロス、ジッタ、ク ロストーク、反射とリンギング、デジタル・ビット・エ ラー、およびアイ・ダイアグラムの劣化を予見し、信頼 性の高いシステム運用を保証するための結果を提供しま す。さらに、この結果データは、進化するシステム設計 の精度向上に使用される SPICE モデルの情報源になりま す。この新技術は多大な影響を与えます。この技術は、 ギガビットの相互接続リンクやデバイスの評価速度を格 段に向上させ、相互接続の解析結果を日単位ではなく分 単位で提供します。 このツールは、取り込んだ時間領域の TDR/T 測定値を周 波数領域に変換し、データから S パラメータを抽出しま す。S パラメータは、既知の周波数の小さなスティミュ ラス信号に対する、線形ネットワークの電気的な関数を 記述するものです。「S」は「Scattering」を表し、伝送 ラインを伝わる信号に与えるインピーダン変動の影響を 意味します。 S パラメータ測定システムの帯域幅は、TDR/T プラッ トフォームの立上り時間で決まります。つまり、高帯域 TDR/T システムでは、高帯域 S パラメータ解析を行うこ とができます。 インピーダンスのデコンボリューション・アルゴリズム は、TDR インピーダンス測定で多重反射の影響を除去し、 真のインピーダンス･プロファイルを生成します。実際に、 この新しいソフトウェア・ツールは、TDR オシロスコー プのインピーダンス測定の確度を上げるだけでなく、分 解能も向上します。 12ps の入射立上り時間、15ps の反射立上り時間、お よび 60dB のダイナミック・レンジを持つ TDR システ ムを使用すると、1mm の距離（および要素）まで分解で きます。高性能 TDR モジュールは、最高 65GHz で最大 70dB のダイナミック・レンジまでの S パラメータを測 定できます。 いずれの場合でも、デジタル設計アプリケーションには十 分な性能で、1%（-40dB）のクロストークは通常は無視 できます。電気的適合性用マスクは一般に、-10 ∼ -30dB のレンジでの測定を規定しているので、S パラメータ測 定によって提供される 60dB は、仕様をはるかに超える 十分な余地があります。 最新のオシロスコープ・ベースの SDNA ツールは、位相 および振幅の両 S パラメータの測定を実行し、ベクト ル・ネットワーク・アナライザよりも少ないセットアッ プ時間とキャリブレーション時間で済みます。同時に、 マルチレーンのシリアル・バスを扱う場合に便利な、マ ルチ差動チャンネルをサポートします。 S パラメータの計算手順は、JEDEC や IBIS などの既存 の業界規格に準拠します。モデルには、表皮効果と誘電 損失、インサーション・ロスとリターン・ロス、アイ・ ダイアグラムの劣化、周波数依存の RLGC パラメータな どが含まれ、ケーブル・アセンブリの性能に対するイコ ライゼーションやプリエンファシスの効果を解析できま す。アイマスク・テストにより、アイ・ダイアグラム上 のクロストークの影響が明らかになります。 www.tektronix.co.jp 25 システム検証 入門書 これらのテストはすべて、『Serial ATA Specification Rev 2.5 for Internal Cable and Connectors』で求め られています。この入門書ですべての測定を詳細に説明す ることはできませんが、いくつかの例を詳しく見ると、S パラメータ技法が設計者の支持を獲得している理由が明ら かになります。これらの例は、詳細な手順を説明するため のものではなく、S パラメータ・ツールで高速で正確な結 果を得るための基本的なステップを示すためのものです。 ケーブルの絶対差動インピーダンス 仕様によれば、ケーブルの絶対差動インピーダンスの測定 は、ケーブル・アセンブリの各差動ペアごと、およびケー ブル・アセンブリの両端で行う必要があります。DUT の Tx ポートのインピーダンスは、90 ∼ 110Ω の間でなけ ればなりません。 図 3-3：SATA ケーブル評価の目的で S パラメータ情報を取り込むための 測定システムのセットアップ S パラメータを使った SATA のインピーダンス測定 SATA インタフェースのインピーダンス測定は通常、 ケーブル上と、導体およびコネクタ上で別々に行われま す。導体とコネクタは、トランスミッタまたはレシーバ の IC の内部ボンディング・パッドから PCB エッジ・コ ネクタまで SATA 信号を伝えます。どちらのパスの測定 でも、基本的には同じツールを使用し、同じインピーダ ンス測定のステップが必要です。具体的に説明するため、 より標準的な構成と機能を持つケーブルに焦点を当てて みましょう。 SATA のケーブル評価では、次のようにインピーダンス 関連の測定を幅広く網羅します。 接続されたコネクタのインピーダンス ケーブルの絶対差動インピーダンス ケーブル・ペア・マッチング 同相インピーダンス 差動立上り時間 イントラペア・スキュー インサーション・ロス 差動間クロストーク：次 シンボル間干渉 26 www.tektronix.co.jp 図 3-3 は、TDR の SDNA 技法を使用する測定の一般的 なテスト構成を示しています。この構成は、ケーブルの絶 対差動インピーダンス・テストだけではなく、この一連の 測定のいくつかでも適用されます。テストで使用されてい ない差動ペアは、50Ω のターミネーション（図にはない） で保護する必要があります。以下の手順で測定されるケー ブルのホスト Tx ポートは、左のフィクスチャに接続され ています。 テストのセットアップ後は、前述のキャリブレーションと デスキューのステップを実行します。さらに、コネクタの 小さな応答の痕跡も失わないように、オシロスコープのア クイジション・ウィンドウを、ケーブル応答の最初の 500ps を取り込めるように設定し、次に DUT を切り離 してオープン・リファレンス波形をステップ信号の算術差 として取り込みます（このステップには、S パラメータの ソフトウェア・ツールが役に立ちます）。 また、TDR/T 機器（TDR/Transmitter）を使って S パ ラメータを取り込むには、DUT の反射が一定の DC レベ ルに安定することが必要です。およその経験則に従い、ア クイジション・ウィンドウの幅は、DUT の公称遅延時間 の 4 ∼ 5 倍に設定することをお勧めします。 システム検証 入門書 シンボル間干渉 前の測定例は、この一連の測定で最も簡単なケーブル測定 のものです。シンボル間干渉（ISI）テストは、その解析結 果に関して言えば最も複雑な部類に入ります。ただし、 S パラメータ・ツールセットを使用すれば、この問題も簡 単な作業に変わります。 テストのセットアップ手順は、テストの第 1 ステップなの で、差動インピーダンス・テストの場合と同じです。DUT に接続して差動ペアの片側の TDTdd（TDT チャンネルの 算術差）を取り込みます。 リファレンス波形および TDTdd 波形が、アイ・ダイアグ ラムの計算のベースになります。Lossy Line モデリング・ ツール（高機能 S パラメータ・アプリケーションのコン ポーネント）によってアイ・ダイアグラムが計算されます。 図 3-4：S パラメータ抽出ツールによって決定されるインピーダンス・プロ ファイル 実際の差動インピーダンス測定を行うには、DUT に接続 して差動ペアの片側の TDRdd（TDR チャンネル間の算 術差）を取り込みます。 ステップ・インパルスが最小 55 ∼最大 70ps の間に あり、立上り時間が可能な限り 70ps（20 ∼ 80%） に近いことを確認します。必要であれば、ソフトウェ ア・アプリケーションの「Filter」関数を使って、望ま しい立上り時間になるまで波形をフィルタします。 S パラメータ抽出ツールを使って、インピーダンス・ プロファイルを計算します。リファレンスをロードして Zo を 100Ω に設定したら、計算を実行します。結果 のインピーダンス波形は時間領域ビューとして表示され ます。図 3-4 は、その一部を示しています。 ISI テストでは、最大周波数を 4,500MHz に設定し、表 示オプションを設定して SATA アイ・マスク仕様に準拠 するようにします。図 3-5 に示すとおり、通常このステッ プは、マスクのアウトラインを作成するための「描画」ス テップを単純化する簡単なグラフィック・ツールを使って 行います。 図 3-6 は、結果のアイ・ダイアグラムを示しています。 このイメージにある「Enable Eye Measurements」 オプションが選択されていると、ピーク・ジッタ値の測定 は自動的に行われます。図 3-6 では、ピーク・ジッタは 4.12ps で、SATA 仕様の 50ps の許容範囲に十分収 まっています。 この測定は、ケーブルの差動ペアごとに繰り返す必要があ ります。 オシロスコープのカーソルを使って最小値と最大値を 測り、すべての差動ペアについて前の測定ステップを 繰り返します。図 3-4 では、最小値と最大値を示すた めに矢印を付けています。 www.tektronix.co.jp 27 システム検証 入門書 図 3-5：ISI アイ・ダイアグラムのマスク・アウトラインの定義に使用されるグラフィック・ツール 図 3-6：S パラメータ・ツールセットで取り込み、解析したアイ・ダイアグラム インピーダンスの測定：まとめ インピーダンスの測定では、レイアウトの問題や潜在的 なクロストークの発生源などを特定できます。今日のソ フトウェア・ツールは、設計者の能力を飛躍的に拡張し、 実証済みのインピーダンス・ツール（TDR）を新しい方 法で使用できるようにして、信号の歪みからシンボル間 の干渉に至るまでの問題を解決します。インピーダンス 28 www.tektronix.co.jp 測定は、従来の総当り式によるビット・エラー計測より もはるかに短時間で行うことができ、他のシステム要素 と相互接続できる適合性のあるデザインを生み出す鍵と なります。システムの基礎となるインピーダンス特性を 理解することは、デジタル・シリアル解析の重要な部分 です。 システム検証 入門書 第 4 章：レシーバ・テストがもたらす特異な課題 図 4-1：トランスミッタとレシーバの間のリンクを通過して劣化したシリアル信号 レシーバ・テストによりシステム評価は最終ステップに 到達します。デジタル・シリアル解析が最も困難なテス トを強いられるのはこの段階です。 ブロック図のレベルでは、レシーバ測定がこれまでのテ スト・ステップよりも難しいことを示す要素は何もあり ません。しかし、図 4-1 を見ると、レシーバ・テストが 困難である理由は誰にとっても一目瞭然です。レシーバ 入力点での信号品質は、リンクを通過する間にひどく劣 化しています 7。レシーバで問題となる機能は、LSI 内に カプセル化されていて、プローブするにもアクセスでき ません。リンク測定のセクションで述べたようなツール がなければ、レシーバに入っていく信号に内在する BER を定義することは困難です。唯一見ることのできる測定 可能なレシーバ信号は、再生成されたループバック・ス トリームだけです。これらのストリーム内のエラーは入 力信号に含まれていたのでしょうか、それともレシーバ 自体から発生したものでしょうか。これは、システムの レシーバ要素の設計者が遭遇する疑問です。標準化グ ループや業界の委員会では、レシーバ・テストのための 仕様や効果的な手順を開発するために努力しています。 7 前述のトランスミッタのテスト同様、レシーバ・テスト では、データ・チャンネル機能と OOB シグナリング機能 を別々に評価します。どちらのカテゴリでも、測定の多 くはトランスミッタ・テストのものに似ています。ここ でも、リアルタイム・オシロスコープが最も一般的なソ リューションです。しかし、レシーバのデータ・チャン ネルのテストでは、スティミュラス信号源が必要です。 スティミュラスの構成と管理は、アクイジションや解析 の複雑さとは別の難しいプロセスです。 レシーバの入力イメージは、PCI-Express、XAUI、その他の規格で使用されるプリエンファシスのような、相殺効果のないシリアル・ケーブル経由の伝送から生じ得る歪みの最悪のケースを示しています。 要点を示すために、この例からはそれらの効果を意図的に省いています。 www.tektronix.co.jp 29 システム検証 入門書 レシーバの仕事は、リンク上に送られたデータ・スト リームを取り込み、システムの後続要素に送るために データ・ストリームを整形し、タイミングを修正するこ とです。前述のように、ホストと相手先のデバイスの両 方にレシーバ・コンポーネントが含まれます。ここで使 用する「システム」は、ホスト・デバイス内のトランス ミッタから発して、SATA ハード・ディスク・ドライブ 内のレシーバにつながるチャンネルであると前に定義し てあるので、HDD 端にあるレシーバを相手先と定め、こ のレシーバ・テストの対象とします。これと同じテスト はホスト側のレシーバにも適用できます。 レシーバ（Rx）テストの間、信号源からのデータが被測 定装置を駆動し（リタイムド･ループバック）、デバイス が公称レベルとストレス・レベルで動作することを確認 するためにオシロスコープで出力を監視します。Rx の仕 様には、検証する必要のある 3 つの基本的な信号特性が あります。それは、振幅（該当する場合はディエンファ シスを含む）、タイミング（スキュー、PLL ループ帯域幅 など）、およびジッタ・トレランスです。また、アウト・ オブ・バンド・テストでは、OOB シグナリングに対する デバイスの応答を検証します。インピーダンス特性も同 様に含まれると思われますが、この入門書では説明しま せん。デバイスの Rx セクションは、さまざまな相互接続 を介してつながれる多くの種類のデバイスと相互接続で きる必要があるため、その仕様はトランスミッタ（Tx） セクションの仕様よりも難しくなる傾向があります。 30 www.tektronix.co.jp 前の章では、トランスミッタの測定で使用するオシロス コープの性能要件について説明しました。また、一部の テストは、リアルタイム機器または等価時間機器で実行 できることも説明しました。レシーバの測定で使用する ツールにも同じガイドラインが適用されます。帯域幅、 立上り時間、および確度の要件は同じです。一部の解析 ソフトウェアは、トランスミッタの測定でも、レシーバ の測定でも、同様に適用できます（たとえば、ジッタ・ テストでは、トランスミッタまたはレシーバに適用する ときに、まったく同じ機能が必要です）。 システムの観点から見ると、トランスミッタとレシーバ の測定は、リアルタイム・オシロスコープと適切な統合 解析ツールの組合せ、または等価時間（ET）オシロス コープと専用のソフトウェア・ツールの組合せの、どち らかの同一プラットフォームで実行する必要があること 覚えておいてください。 システム検証 入門書 レシーバのデータ・チャンネル・テストとアウト・オブ・バンド・テスト レシーバの仕組み Rx ジッタ・トレランスの測定 シリアル・レシーバでは、対応するトランスミッタと同 様に、内部にシリアライザ／デシリアライザ（SERDES） コンポーネントが採用されています。この構成により、 ループバック・テストやその他の技法が使用できるよう になります。インターオペラビリティを保証するため、 Rx セクションは、幅広い範囲の条件でテストする必要が あります。そのうちの多くは、デバイスの内部クロッ ク・データ・リカバリ（CDR）コンポーネントおよびデ シリアライザ・コンポーネントをテストするように設計 されています。 他のシステム要素とのインターオペラビリティを保証す るため、CDR と SERDES は規定量のジッタを許容でき なければなりません。 レシーバに届く入力データには、広範な振幅条件および ジッタ条件の下で再生（抽出）する必要のあるエンベ デッド・クロックが含まれます。これは、CDR 要素の役 割であり、その動作は、エンベデッド・クロックを逓倍 してデータ・クロック信号を生成する位相ロック・ルー プ（PLL）に依存します。 同様に、デシリアライザは特定の振幅、ジッタ、および スキューの変動に対応できなければなりません。これら のシリアル・コンポーネントを開発する製造者は通常、 該当する規格に規定された方法でコンポーネントをテス トする、テスト・データ（スティミュラス）ストリーム を挿入（出力）する方法を提供します。 Rx 振幅感度測定 SATA レシーバ・テスト（PCI Express、Fibre Channel などの規格も同様）では、データ・パターンの生成が可 能なプログラマブル信号源が必要です。ジェネレータは、 パケットや擬似ランダム・ビット・シーケンス（PRBS） をさまざまな振幅で生成できなければなりません。一般 に、2 種類の機器がこの機能を提供できます。1 つはデ ジタル・データ／パターン・ジェネレータ（DG）で、も う 1 つは任意波形ジェネレータ（AWG）です。 Rx タイミングの測定 これらの測定では、差動ペアとデータ・レーン間で、遅 延の挿入やデータのスキューを行います。これにより、 回路基板配線、ケーブル、およびコネクタ・コンポーネ ントでの変動をレシーバが許容できることが保証されま す。他のテストでは、レシーバがエッジ・トランジショ ンや立上りレート／立下りレートの変動を許容できるこ とを検証するために、特定のパターンやトレーニング・ シーケンスを入力する必要があります。 レシーバのジッタ・トレランスは、レシーバ内部のク ロックとデータ・リカバリ・ユニット（CDR）がさまざ まな形のジッタをどの程度許容できるかの尺度です。 CDR の動作に関して重要な疑問点が 2 つあります。 1 つは、アイの中で再生ビット・クロック・ストローブ を最適に配置して、CDR がどこまでアイの水平方向の閉 じを許容できるかです。この結果により、CDR が再生 ビット・ストローブをデータ・アイのどの程度中央に置 くことができるかがわかります。また、CDR の入力位相 ロック・ループ回路のセットアップ時間とホールド時間 も判明します。 もう 1 つは、CDR のパスバンド周波数内またはそれ以下 で、CDR がジッタを捉える際に、再生ビット・クロック がどれほどぶれるかです。この結果は、シリアル・デー タに内在するジッタのスペクトラム・コンポーネント、 および CDR のバンドパス・フィルタに結合したシステ ム・ノイズの量に大きく影響されます。 ジッタ・トレランスの特性は、振幅や立上り時間などの 他の信号特性によって影響を受ける可能性があることに 注意が必要です。ジッタ・トレランスとは、ビット・エ ラー率の測定です。つまり、既知量のジッタが含まれる ビット・シーケンスを入力に適用し、結果として生じる レシーバのエラー率を測定します。この手順では、パ ターン・ソースとジッタ・ジェネレータに加えて、エ ラー検出機器が必要です。ジッタ・トレランスの測定に は、一般に長いテスト時間が必要です。10-12 ビットのエ ラー率という性能を保証するために、何兆ものサイクル を記録する必要があるからです。高い取り込みレートと ジッタ解析ツールを持つ DPO は、このようなジッタ・ト レランス・テストの所要時間を短縮できます。 www.tektronix.co.jp 31 システム検証 入門書 アウト・オブ・バンド・テスト テストの内容 アウト・オブ・バンド（OOB）テストでは、シグナリン グ・コマンドに対するレシーバの応答を確認します。 OOB シグナリングは、一連の低周波パルスのタイミング に基づく単純なメカニズムで、ホストや SATA HDD が 相互に通信して、それぞれが動作中でアクティブである ことを通知できます。OOB 信号を次に示します。 レシーバの振幅感度 COMRESET：ホスト・コントローラから発信され、 接続されている HDD 内で強制的にハード・リセット を行います。COMRESET 信号は、6 個以上のデー タ・バーストで構成されている必要があります。 COMINIT：通信の初期化のために HDD から発信され る信号です。COMINIT 信号は、COMRESET 信号と 電気的に同じです。 COMWAKE ：ホスト・コントローラまたは HDD から 発信される信号です。この信号は、アイドル・バス状 態によって分離される 6 個のバースト状のデータで構 成されます。6 個以上のデータ・バーストで構成され ている必要があります。 アウト・オブ・バンド・テストの例を次に示します。 信号ディテクション・スレッショルド OOB シグナリング中の UI COMINIT/RESET および COMWAKE の送信バース ト長 COMINIT/RESET 送信ギャップ長 COMWAKE 送信ギャップ長 COMWAKE ギャップ・ディテクション・ウィンドウ COMINIT ギャップ・ディテクション・ウィンドウ 基本的に、これらのテストでは、被測定装置である HDD に関する 2 つの動作に対する確認を行います。1 つは 「デバイスはそれ自体に向けられた（規格準拠パターン） シグナリング・コマンドに応答するか」という確認と、 もう 1 つは「デバイスはそれ自体に向けられていない （仕様外の）シグナリング・コマンドを拒否するか」とい う確認です。 OOB テストでは、DUT のレシーバとトランスミッタの 両方が動作している必要があります。どちらもテストに 必要です。一連のテストでは、通常の「準拠」パターン を送信して応答を検知し、次に、仕様外のタイミングで パターンを送信して DUT が応答しないことを検証すると いう、基本的な手法を使用します。テスト仕様もそのよ うに記述されています。 32 www.tektronix.co.jp レシーバの振幅感度テストは、SATA I および SATA II を含む多くのシリアル規格で共通です。このテストでは、 電圧スイングの減衰または増幅が発生する状況でも、レ シーバがインターオペラビリティの要件を満たすことを 確認します。テスト手順の概要を次に示します。 データ・タイミング・ジェネレータまたは任意波形 ジェネレータ（AWG）を使用して、データ・パター ンを適切に設定し、データ・パケットの振幅を許容値 に合わせる ユニットが正しく応答できなくなるまで振幅を増減する エラーが発生したときの振幅が仕様外であることを検 証する システム検証 入門書 レシーバ・タイミング・スキューの測定 レシーバは、各データ・チャンネルと差動ペア内で、一 定量のタイミング・スキュー（ずれ）を許容できなけれ ばなりません。このスキュー・トレランスに対する限度 は、個々の規格で定義されています。 テストは、クロックとデータ・ペアのスキューがない状 態から開始し、次にデバイスでエラーが表示されるまで スキューを増加します。エラーなしで動作するスキュー の設定最大値が、スキュー・トレランスとして定義され、 公表されている限界値と比較されます。スキュー・トレ ランスが指定値よりも大きい場合、デバイスは規格に準 拠しているとみなされます。この作業に適切なスティ ミュラス・ツールは、差動タイミング・オフセット機能 および差動出力を持つデータ・ジェネレータです。 レシーバの PLL ループ帯域幅の測定 PLL ループ帯域幅を決定する一般的な手段としては、 ジッタ伝達関数が使用されます。このテストでは、DUT のジッタ振幅応答をジッタ周波数の関数として評価しま す。DUT に変調リファレンス・クロック信号（望ましく はガウシャン・ノイズ源からの変調）を印加し、DUT の 入出力端でジッタを測定します。入力ジッタに対する出 力ジッタの比率を周波数領域でプロットし、伝達関数プ ロットを形成してループ帯域幅を描きます。 一般に、PLL ループ帯域幅のテストでは、次の 2 つのス ティミュラス方法のいずれかを使用します。 適切なジッタ機能が装備されているデジタル・デー タ・ジェネレータと。そのモジュール・ソリューショ ンがこれらのツールとなります。外部のガウシャン・ ノイズ・ジェネレータが、データ・ジェネレータから のリファレンス・クロック信号を変調します。 図 4-2：シリアル信号に適用されたディエンファシス。極性が逆の一連の ビットに続く最初のビットは、それに続く「ディエンファサイズされた」ビット よりも振幅が高くなります。 レシーバのディエンファシスの生成とテスト 伝送媒体での信号ロスを補正するために、シリアル・ビッ ト・ストリームは多くの場合、リアルタイムで振幅が変更 されます 8。この手法はディエンファシスと呼ばれ、同じ 極性を持つビットが続く場合に適用する必要があります。 最初のビットに続くビット列は、最初のビットよりも低い 電圧レベルで駆動されます。 図 4-2 は、ディエンファシスの概念を単純化して示して います。2 つのロジック電圧値があり、1 つの極性（ス テート）を持つビット列が続いた後の逆のビットには少し 高い電圧が適用されます。ディエンファシス信号は、デー タ・ジェネレータまたは任意波形ジェネレータによって生 成できます。 デジタル・マーカ出力を持ち、擬似ランダム・ビット・ シーケンス（PRBS）パターンをロードした AWG。 これらのアプリケーションでは、ジッタ測定ソフトウェ ア・アプリケーションを実行しているオシロスコープ で、PLL デバイスの入出力を監視し、結果をプロットで きます。 www.tektronix.co.jp 33 システム検証 入門書 図 4-3：シリアル・データ・ストリームにディエンファシス効果をもたらすデータ・ジェネレータの使用法。差動ペアの両側は、パワー・コンバイナでミックスさ れる 2 つの信号で構成されます。 レシーバの SERDES で発生する実際の条件を模倣するた め、スティミュラス源ではディエンファシスをシミュ レートする必要があります。DG をスティミュラス源とし てディエンファシス・テストを実行する場合は、図 4-3 に示すとおり、1 組のパワー・コンバイナを駆動するた めに機器からの 1 組の出力が必要です。パワー・コンバ イナは、特定の時間に一致するビットを含む 2 つのシリ アル・ストリームをミックスします。これにより、同一 ステートのデータ・シーケンスに先立つ全振幅のビット の後に必要な減衰が生成されます。 AWG ベースの方法は、高速な新型 AWG プラットフォー ムの登場により、支持を獲得しています。任意波形ジェ ネレータ（AWG）は、既にデータに埋め込まれているプ リエンファシスや他の信号特性を持つ、どのようなビッ ト・ストリームでも生成できます。伝送ラインを介した 信号通過の影響をシミュレートするために、オーバー シュートや立上り時間の悪化などの欠陥を（ディエン ファシスの有無にかかわらず）追加することができます。 データ・ジェネレータからの信号レベルは、パワー・コ ンバイナで発生するロス（通常 50%）を相殺し、ストレ ス・テスト中のディエンファシスの量を変化できるよう に設定する必要があります。オシロスコープの解析アプ リケーションに含まれるツールで、実際のディエンファ シスの値を測定します。DG をスティミュラス源として使 うこの方法は、設計者や標準化委員会でも広く受け入れ られています。 8 ディエンファシス効果は SATA 伝送には適用されませんが、PCI Express、XAUI などの他の一般的な規格のために説明する意味があります。 34 www.tektronix.co.jp システム検証 入門書 図 4-4：シリアル・デバイス用のジッタ・テスト・システムの構成。ファンクション・ジェネレータは、データ・タイミング・ジェネレータによって生成された ジッタを変調する信号を出力します。 Rx ジッタ・トレランスの測定 レシーバのジッタ・トレランスは、ジッタが存在していて もデータを完全に再生できる能力と定義されます。仕様を 満たすことで、一定量のジッタが存在しても、SERDES 回路と PLL 回路はクロックを再生できることが保証され ます。 PCI Express などのアプリケーションでは、厳格なジッ タ・テストが特に重要です。このアプリケーションでは、 クロックは 8B/10B でエンコードされたデータ・スト リームに埋め込まれます。特定の振幅と周波数特性を持 つジッタを供給できる信号源が絶対条件になります。 高機能のデータ・ジェネレータには、特定の振幅と周波 数変調特性を持ったジッタを供給する機能が含まれます。 たとえば、ノイズ・ジェネレータやジッタ・ジェネレー タが内蔵されています。ジッタ・ジェネレータは正弦波、 方形波、三角波、ノイズなど、さまざまな変調プロファ イルを受け入れることができ、立上りエッジや立下り エッジ、またはその両方にジッタを適用するように設定 できます。 図 4-4 は、ジッタ・トレランス・テスト用のテスト・シ ステムのレイアウト例を示しています。ここでは、外部 ファンクション・ジェネレータがジッタ変調プロファイ ルを提供しています。 www.tektronix.co.jp 35 システム検証 入門書 OOB テストの例：信号ディテクション・スレッショ ルド 次の OOB 信号ディテクション・スレッショルド・テスト では、必要な適合性測定を示し、これまでに説明した DG ベースの方法とは対照的な AWG ベースのテスト方法を示 します。 図 4-5：アウト・オブ・バンド信号には、通常、「1」および「0」以外の振 幅のアイドル・ステートがあります。 被測定装置は、ループバック・モードに構成されています。 これは、デバイス応答を監視し、内蔵の自己診断（BIST） プロトコルを実装するための、一般的な方法です。第 2 章 では、特別なソフトウェア・ツールを使用して、BIST パ ターンを開始する方法について説明しました。レシーバ・ コンポーネントをテストする場合は、まずデバイスをルー プバック・モードに入るように指示してから、テスト・パ ターンを送る必要があります。ループバック・モードの設 定にホストを使用する場合は（レジスタ・セット・ソフト ウェア・ツールを使用せずに）、実際の試験パターンを適 用する前にホストを切り離す必要があります。これは問題 です。多くのホストやデバイスは、切り離された途端に、 ループバック・モードを終了して通常の動作に戻ってしま います。したがって、信号源では、ループバック・コマン ドとスティミュラス・パターンを一緒に提供する手段が必 要です。データ・ジェネレータを使用する場合は、ループ バック・コマンド・データに続けてジッタ・パターンを送 るためにパワー・スプリッタを使用できるので、切断する 必要がなくなります。一方、任意波形ジェネレータは、 ループバック・コマンドとジッタ・パターンの両方を含む シーケンスを送信できます。 36 www.tektronix.co.jp コンプライアンス・テストをサポートするのに適した OOB 信号を生成するデバイスがホスト・デバイスにはな いため、OOB テストには通常、外部スティミュラス源が 必要です。従来、OOB 測定のために選択されるツールは、 任意波形ジェネレータかデータ・ジェネレータでした。ど ちらの場合でも、信号源では、テスト開始前にロードされ るプリセット・ルーチンを使って、純粋なデジタル信号の 送出やタイミングの変更といった比較的単純なタスクを行 います。AWG を選択した場合、従来の方法では、主アナ ログ出力ではなくマーカ出力が使用されます。この場合は バイナリ・データだけが送られます。 ただし、信号ディテクション・スレッショルド・テストで は、アイドル・ステートが発生します。アイドル・ステー トでは、信号の値が 1 でも 0 でもない 3 値状態になるこ とがあります（図 4-5）。データ・ジェネレータまたは AWG マーカ出力を使ってこれに対応するには、特別な手 段によって機器の出力ドライバのバイアス・レベルを変更 する必要があります。差動出力の間でパワー・スプリッタ が使用されるケースもあります。 システム検証 入門書 図 4-6：OOB 測定用の計装のセットアップ。AWG は、外部での変更なしで、必要な 3 値の信号レベルを提供します（信号接続のみ。トリガは示されていない） 。 この問題を解決するには、さらに良い方法があります。 AWG のデジタル・マーカ出力ではなく、アナログ出力 を使うと、既定のロジック 1 と 0 の電圧でない離散的 な振幅レベルを持つ信号を簡単に生成できます。この方 が、DUT で期待される信号により近いものとなります。 図 4-6 は、このテスト用の計装のセットアップを示して います。 が現実的になってきました。これらのツールは、真の差 動アナログ出力、十分な帯域幅とサンプル・レート、長 いレコード長、そして内部シーケンサなどの生産性ツー ル（OOB や他のパターンを簡単に生成）を提供します。 図 4-7 に示す OOB 信号は、最新の AWG により 5.8GHz の帯域幅と 20GS/s のサンプル・レートで生成されたも のです。 AWG を使ってシリアル・デバイス用の OOB とデータ信 号の両方にジッタ、ノイズ、アベレーション、およびタイ ミング変動を埋め込むという考え方は、設計者や業界委員 会の間で支持を獲得しています。上述のとおり、シリア ル・テスト用の AWG アプリケーションは、最近まで、低 周波の標準およびマーカ・ベースのデジタル作業に限定さ れていました。 これらの高性能 AWG の登場により、外部ソースから ジッタやノイズを注入する必要はなくなります。複数の チャンネルを結合してプリエンファシスを生成する必要 もなくなります。また、信号自体の一部として、シンボ ル間干渉や他のシステム異常などの人工的な信号を送出 することが可能になります。またフル機能の AWG には、 ループバック・モードを開始し、DUT を切り離さずにテ スト・パターンの送信を開始できる強力なシーケンサも 含まれています。 しかし、高性能な AWG の登場により、機器のアナログ 出力から高品質なシリアル・データ信号を出力すること www.tektronix.co.jp 37 システム検証 入門書 図 4-7：AWG から送られた OOB 波形には、信号に 3 値部分が含まれています。これは、外部アッテネー タやパワー・スプリッタを使用せずに生成されます。 レシーバの測定：まとめ レシーバの測定では、ループバック・モードをアクティ ブにし、複雑なパターンを作り、信号の振幅を変え、通 常のバイナリ・レンジ外の電圧値（3 値レベル）を適用 する必要があります。また、今日の高速シリアル・バス の厳格な帯域幅およびタイミング要件を満たすツールも 必要です。レシーバのテストは、シリアル・システム検 証の中で最も難しい作業であり、近道的な手段は利用で きません。 38 www.tektronix.co.jp レシーバの測定では、信号源が重要な役割を果たします。 信号源が DUT に対してスティミュラスを提供します。一 般に、最新の規格では、スティミュラス信号を生成する ための特定の構成を指定していません。そのため、デー タ・ジェネレータと任意波形ジェネレータの両方がレ シーバ・テストで使用されることになります。DG は、優 れたタイミング確度で多くのデータ・チャンネルを駆動 できることが実証されたツールです。AWG は、ディエン ファシスやアベレーションなどの信号特性を外部の変換 器を使用せずに適用できるため、テストのセットアップ を簡易化できることで支持を集めています。 システム検証 入門書 まとめ：デジタル・シリアル解析および今後のシステム設計 この入門書では、新しいシリアル設計のシステム全体に わたるテストの必要性と手段の両面について説明してき ました。高速シリアル信号は、終始、その環境と相互作 用を行っています。そのため、これらの相互作用につい て理解し、制御する必要があります。測定はこの理解の ために重要です。 業界標準化団体、作業委員会、および分科会では、現在使 用されているすべてのシリアル・プロトコルに関する運用 とテストのガイドラインを開発し、推進に努めています。 テスト・ドキュメントは、一般的な推奨事項から、コンプ ライアンス・テストの詳しい手順に至るまで、幅広い内容 を扱っています。ここでも測定が基礎となります。 デジタル・シリアル解析の分野は、シリアル性能の継続 的な高速化に合わせて常に進化しています。新しいハー ドウェア・ツールが、高速シリアル・バスのプロービン グおよびアクイジションの個別のニーズに応えます。 単純な振幅の評価から複雑なジッタの解析までを含む測 定手法は、シリアル・アプリケーションの要求に適合し つつあります。たとえば、時間領域 TDR 測定から開発さ れた S パラメータは、インピーダンス解析とビット・エ ラー・レート予測の高速化を保証します。また、ソフト ウェア・ツールも測定要件全体を補完するように進化し ており、アイ・ダイアグラム、バスタブ・カーブ、ヒス トグラムなどのさまざまな情報を含む表示を提供してい ます。 当社は、リアルタイム・オシロスコープと等価時間オシロ スコープ、差動プローブ、信号源、解析アプリケーション など、シリアル測定ソリューションで業界をリードしてい ます。シリアル測定およびソリューションに関する豊富な 情報は、当社ホームページ（www.tektronix.co.jp または www.tek.com）をご参照ください。 www.tektronix.co.jp 39 Tektronix お問い合わせ先： アメリカ 1 (800) 426-2200 イタリア +39 (02) 25086 1 インド (91) 80-22275577 イギリスおよびアイルランド +44 (0) 1344 392400 オーストリア +41 52 675 3777 オランダ 090 02 021797 カナダ 1 (800) 661-5625 スイス +41 52 675 3777 スウェーデン 020 08 80371 スペイン (+34) 901 988 054 大韓民国 82 (2) 528-5299 台湾 886 (2) 2722-9622 中央ヨーロッパおよびギリシャ +41 52 675 3777 中華人民共和国 86 (10) 6235 1230 中東アジア／北アフリカ +41 52 675 3777 中東ヨーロッパ／ウクライナおよびバルト海諸国 +41 52 675 3777 デンマーク +45 80 88 1401 ドイツ +49 (221) 94 77 400 東南アジア諸国／オーストラリア (65) 6356 3900 南アフリカ +27 11 254 8360 日本 81 (3) 6714-3010 ノルウェー 800 16098 バルカン半島／イスラエル／アフリカ南部諸国および ISE 諸国 +41 52 675 3777 フィンランド +41 52 675 3777 ブラジルおよび南米 (11) 4066-9400 フランス +33 (0) 1 69 86 81 81 ベルギー 07 81 60166 ポーランド +41 52 675 3777 ポルトガル 80 08 12370 香港 (852) 2585-6688 メキシコ、中米およびカリブ海諸国 52 (55) 5424700 ルクセンブルグ +44 (0) 1344 392400 ロシアおよび CIS 諸国 +7 (495) 7484900 その他の地域からのお問い合わせ 1 (503) 627-7111 Updated 15 September 2006 詳細情報 当社は、最先端テクノロジに携わるエンジニアのために、アプリケーショ ン・ノート、テクニカル・ブリーフなどをご用意しています。当社ホー ムページ（www.tektronix.co.jp または www.tektronix.com） をご参照ください。 Copyright Tektronix. All rights reserved. Tektronix 製品は、米国およびその他の国の特許 （出願中を含む）により保護されています。本文書は過去に公開されたすべての文書に優先します。 仕様および価格は予告なしに変更することがあります。Tektronix、TEK は、Tektronix, Inc の 登録商標です。その他の商標、製品名称などは、各社の商標または登録商標です。 09/06 EA/WOW 85Z-19886-0