заводы изготовителинаши партнерыформа заказа

Быстрый поиск артефактов в сигналах высокоскоростных интерфейсов

В статье описан новый метод поиска неисправностей в высокоскоростных системах передачи данных при помощи цифрового осциллографа. Этот метод значительно сокращает время анализа и упрощает работу инженеров. Описываются преимущества и ограничения как традиционных, так и предлагаемого метода поиска аномалий в исследуемых сигналах.
Традиционный подход к выявлению аномальных сигналов в высокоскоростных интерфейсах с помощью цифровых осциллографов заключается либо в использовании аппаратного запуска, настроенного на определенный тип события в исследуемом сигнале, либо в записи в память осциллографа достаточно длительного участка сигнала с последующим визуальным его анализом (т.н. режим глубокой памяти). Постоянно увеличивающаяся скорость и комплексность сигналов в современных цифровых системах все чаще приводят к неэффективности этих методов. В этой статье описаны принципиально новый подход к поиску артефактов в сигналах и его использование как дополнения к традиционным методам с целью ускорить выявление проблем и увеличить вероятность их обнаружения на как можно более раннем этапе разработки. Рассмотрим более подробно преимущества и недостатки традиционных методов поиска и то, как эти недостатки устраняются новым методом.

ТРАДИЦИОННЫЕ МЕТОДЫ ПОИСКА АРТЕФАКТОВ
Аппаратный запуск хорош тем, что он обеспечивает минимальное время простоя прибора при поиске интересующего нас события. При его использовании система сбора данных осциллографа работает непрерывно до тех пор, пока не будет обнаружено заданное событие. Как только оно будет найдено — схема аппаратного запуска сработает и завершит сбор данных осциллографом, после чего красиво отобразит событие прямо по центру экрана. Это действительно довольно удобный инструмент.
Преимуществом режима глубокой памяти является то, что не нужно что-либо предполагать о характере проблем, возникших в исследуемой системе. Вы просто выставляете режим максимально глубокой памяти на вашем осциллографе (то есть максимальной длительности запоминаемого сигнала), задаете запуск по перепаду или даже автозапуск и нажимаете кнопку «Пуск». Затем, после того как осциллограф заполнит свою память информацией о поданном на его вход сигнале, Вы можете в спокойной обстановке просматривать захваченные данные с целью поиска событий, которые могут представлять интерес. С некоторой иронией такой режим работы можно назвать «от забора до обеда». Хотя эти способы и стали привычными для разработчиков — во многом благодаря эффективности от их использования — они не лишены множества недостатков.
В чем же эти недостатки заключаются?
Основным недостатком режима глубокой памяти является огромное количество времени, которое необходимо квалифицированному специалисту для визуального анализа записанного сигнала. Кроме того, при таком методе выявления артефактов довольно велика вероятность пропуска нужного события, причем эта вероятность возрастает по мере роста времени анализа и усталости специалиста, производящего поиск. Кроме того, зачастую требуется обнаружение довольно сложной последовательности сигналов, которую отнюдь не просто обнаружить визуально.
Стандартные схемы аппаратного запуска, значительно облегчая и ускоряя работу специалистов по поиску неисправностей, также не лишены недостатков.
Во-первых, они обычно ограничены поиском только одного заданного события в единицу времени и принципиально не способны в это же самое время отслеживать наступление других типов событий. Это в значительной степени ограничивает возможности обнаружения не известных заранее неисправностей.
Во-вторых, при аппаратном запуске сложно выявить повторяющиеся события, так как срабатывание схемы аппаратного запуска происходит при каждом наступлении заданного события вне зависимости от того, что происходило между ними. В то же время в высокоскоростных системах зачастую очень важно знать, что предшествовало каждому конкретному случаю срабатывания системы запуска.
В-третьих, обычно система аппаратного запуска имеет крайне ограниченный выбор фиксируемых событий (порядка 10), а разработка нового режима запуска — обычно не самая приятная задача для производителей осциллографов, так как требует дополнительных ресурсов в виде разработчиков и производства дорогих специализированных ИС. Для устранения этих недостатков в цифровых осциллографах Agilent был применен новый способ обнаружения артефактов в сигналах.

СУТЬ И ВОЗМОЖНОСТИ НОВОГО ПОДХОДА К ВЫЯВЛЕНИЮ АРТЕФАКТОВ
Кратко новый подход можно охарактеризовать как «программное обеспечение для идентификации событий». Суть его заключается в том, что захваченный осциллографом сигнал анализируется специализированной программой, предназначенной для поиска интересующих нас событий или выявления отклонений формы сигналов от заданной. У этого подхода есть свои недостатки — он требует гораздо большего времени, чем использование аппаратного запуска, и не обеспечивает столь широких возможностей для анализа сигналов, как режим глубокой памяти, однако преимущества от его применения неоспоримы. В их числе:
– возможность одновременного поиска нескольких событий. ПО идентификации событий можно настроить на поиск пяти событий одновременно в любом канале или комбинации каналов. Это значительно уменьшает время на обнаружение возможных проблем с качеством исследуемых сигналов или вычленение связанных между собой сигналов, свидетельствующих об ошибках в работе исследуемой системы;
– возможность поиска многократно повторяющихся событий. Для традиционных методов это очень сложная задача. В то же время ПО идентификации событий может обнаружить все случаи наступления заданного события, зафиксированные в памяти осциллографа. Это позволяет выявить различные причины, приведшие к появлению каждого конкретного сбоя;
– автоматическая навигация по событиям. Данные в глубокой памяти могут составлять до 10 000 экранов информации. Просматривать всю эту информацию вручную — крайне утомительная и нудная задача. Передача данных, захваченных осциллографом, в компьютер и написание своего ПО для просмотра и измерения этих данных также непрактично и связано с большими затратами времени. А в случае с ПО идентификации после нахождения им всех реализаций заданных событий переключаться между ними можно нажатием одной клавиши, как на пульте управления DVD-плеером (см. рис. 1);

Панель навигации

Рис. 1. Панель навигации позволяет автоматически переходить к любой реали¬зации до пяти различных событий на любом из четырех каналов осциллографа (на рисунке показан поиск нарушения длительности импульса на двух каналах).


– большое количество типов фиксируемых событий. ПО идентификации событий обладает гораздо более широким спектром возможностей и меньшей стоимостью разработки новых режимов, чем системы аппаратного запуска. Существующее ПО может обнаружить любое событие, которое можно описать измерением сигнала (более тридцати для современных осциллографов), в том числе и такие, для которых практически невозможно сконструировать аппаратную схему запуска (например, немонотонные переходные процессы в сигнале);
– возможность выявления событий с малой длительностью — схема аппаратного запуска принципиально ограничена скоростью работы транзисторов и аналоговым принципом работы. Лучшие в своем классе схемы аппаратного запуска обеспечивают запуск по импульсам с длительностью более 300 пс и запуск по сигналам последовательных шин со скоростью до 3,25 Гбит/с. Это, конечно, довольно высокие значения, однако сейчас проектируются интерфейсы со скоростью передачи данных 8,5 Гбит/с и более. В основе работы ПО идентификации событий лежат методы цифровой обработки сигналов, возможности которых принципиально ограничены только частотой дискретизации осциллографа. Так как в настоящее время частота дискретизации у лучших образцов цифровых осциллографов достигла 40 Гвыб./с, минимальная длительность событий, обнаруживаемых описываемыми программами, значительно меньше, чем у аппаратных решений. На практике это означает возможность обнаружения импульсов длительностью 70 пс и запуск по последовательным шинам передачи данных со скоростью до 8,5 Гбит/с (см. рис. 2);

ПО InfiniiScan от Agilent

Рис. 2. ПО InfiniiScan от Agilent идентифицирует чрезвычайно небольшое время нарастания в 36 пс, вызванное межсимвольной интерференцией (ISI) на импульсе в один бит.


– увеличение разрешения по времени. Существующие схемы аппаратного запуска имеют разрешающую способность по времени в десятки и даже сотни пикосекунд (в зависимости от типа события и характеристик сигнала в момент возникновения события). Столь грубого разрешения зачастую недостаточно при анализе соответствия исследуемой аппаратуры жестким требованиям спецификации (недостаточная разрешающая способность приводит к ложным обнаружениям сбоев). В то же время описываемый метод позволяет использовать такие чисто цифровые методы повышения разрешающей способности, как интерполяция точек дискретизации (в рассматриваемом варианте возможно увеличение в 16 раз) — фактически до единиц пикосекунд (это хорошо видно на рис. 2);
– появление новых режимов поиска артефактов. Одной из самых интересных и полезных возможностей ПО идентификации событий является поиск по зоне на экране осциллографа.

Функция поиска по зоне

Рис. 3. Функция поиска по зоне выделяет сигналы, не входящие в первую зону (вверху слева) и при этом входящие во вторую (внизу по центру). Выделен бит «1», которому предшествуют 3 бита нулей.


Большинство пользователей осциллографов знакомы с ситуацией, когда они видят, как периодически возникающий сигнал мелькает на экране, но нет возможности нажать кнопку «Стоп» настолько быстро, чтобы его поймать. В этом случае обычно переключают осциллограф в режим сбора по одному каналу и часто (а иногда и очень часто) нажимают на кнопку остановки в напрасных попытках все же поймать это редкое событие. Обычно это заканчивается не чем иным, как болью в пальце, уставшем нажимать на кнопку. Поиск по зоне позволяет пользователю нарисовать курсором зону в том месте, где было замечено мелькающее событие. В следующий раз при появлении этого события осциллограф автоматически остановится и отразит тот самый искомый сигнал (на рис. 3 изображены два примера использования поиска по зоне).
И наконец, если возможностей нового режима Вам не хватает, его можно использовать в сочетании с функцией аппаратного запуска. Смысл такого режима заключается в программном поиске события, происходящего в течение заданного времени после наступления события, обнаруженного аппаратными средствами. В этом случае можно зафиксировать определенную последовательность событий или аппаратно ограничить временную область программного поиска заданных событий, что уменьшает время и повышает эффективность поиска.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Можно сказать, что ПО идентификации событий предоставляет новые возможности для выявления проблем в исследуемом оборудовании, дополняющие возможности традиционно используемого аппаратного запуска и режима глубокой памяти. Во многих случаях, когда время простоя не является ограничивающим фактором (т.е. когда период появления аномальных сигналов не превышает глубины памяти), программный поиск событий является самым гибким и эффективным средством обнаружения проблем.


Лон Хинтце, Agilent Technologies