A Margem de Operação do Canal Não é Tão Ruim

O que é um COM, afinal?

A Margem de Operação do Canal, ou COM, não é bem compreendida. Como não é bem compreendida, muitas pessoas duvidam que realmente signifique algo. Afinal, como a qualidade do canal pode ser representada por apenas um número em decibéis? Acontece que o COM é, na verdade, o último passo evolutivo em uma longa progressão de técnicas de validação de canal usando padrões de olho. Este blog vai rastrear a evolução do COM até suas raízes e dar significado à infame métrica COM.

A Primeira Margem de Operação do Canal: Padrões de Olho

Vamos começar com padrões de olho. Padrões de olho são uma maneira de observar um longo fluxo de dados seriais. Antes do Keysight ADS e do PyBERT [1] [2], um padrão de olho era medido com um osciloscópio de amostragem digital ou um osciloscópio em tempo real. Na janela do padrão de olho, as unidades do eixo y são voltagem e as unidades do eixo x são tempo, abrangendo dois intervalos de unidade. Um intervalo de unidade, ou UI, é a quantidade de tempo para um bit passar. Assim, dentro de dois UI de tempo, você pode centralizar um dado de bit na tela com meio bit de margem de cada lado. No entanto, em vez de visualizar apenas um bit, todos os bits são sobrepostos, um de cada vez, até que todo o fluxo de dados seriais esteja na tela. A qualidade do sinal é quantificada pelo tamanho do buraco no meio. Se o padrão de olho parecer realmente bom, você pode ouvir um engenheiro dizer, “Você poderia dirigir um caminhão através desse olho!” As maneiras mais comuns de quantificar a abertura são largura, altura ou área. O cruzamento do olho no ponto DC é o jitter, e o jitter é tipicamente medido estatisticamente com um histograma.

Figura 1. Exemplo de um fluxo de bits seriais.

Especificações iniciais de canais, e em alguns casos especificações de componentes passivos, utilizavam algo chamado máscara de olho para os critérios de aprovação ou reprovação. Uma máscara de olho é geralmente uma área em forma de diamante definida por uma largura e altura do olho. Um olho aprovado tem apenas tantas amostras detectadas ou acertos, dentro da máscara de olho. Os padrões de uns e zeros são ditados pelo padrão e geralmente são sequências de bits pseudoaleatórias ou padrão PRBS. Basicamente, você pode categorizar os padrões em duas categorias: antes de 10 Gb/s e depois de 10 Gb/s. Antes de 10 Gb/s, a codificação 8b10b era usada na maioria dos sistemas e PRBS 7 era o padrão apropriado. Quando 10 Gb/s foi introduzido pelo IEEE em 802.3ba, a codificação mudou para um embaralhador 64b66b e PRBS 31 assumiu. Mesmo hoje, a 112 Gb/s, PRBS 31, ou QPRBS 31, ainda é o padrão mais utilizado.

Falando Estatisticamente

Cronologicamente após padrões de olho medidos, StatEye é o próximo método de qualificação de canais passivos, e foi amplamente utilizado pelo OIF. A ideia por trás do StatEye é explicada em detalhes aqui: [3] Em resumo, StatEye prevê padrões de olho usando uma resposta de pulso de um sistema. Uma resposta de pulso é a resposta no domínio do tempo de um sistema excitado com um pulso quadrado de uma UI, e o sistema é um canal passivo incluindo equalização. As tecnologias de equalização disponíveis no StatEye são FFE, CTLA e DFE. A função de transferência de um sistema é obtida a partir de parâmetros-S. Uma vez que os parâmetros-S do canal podem ser simulados, StatEye é uma maneira eficiente de testar muitos canais e configurações de equalização para ver o que funciona. Todo o tempo, a máscara de olho é o critério de aprovação/reprovação usando a abertura de olho prevista estatisticamente.

Em algum ponto entre StatEye e COM, a análise de distorção de pico (PDA, do inglês Peak Distortion Analysis) tornou-se relativamente comum. O método é bem documentado por Heck e Hall em Advanced Signal Integrity for High Speed Digital Designs [4]. Em resumo, ele usa a mesma resposta de pulso que o StatEye, mas seu resultado é simplesmente a chamada abertura de olho em pior caso. O PDA não inventa dados, e essa é a razão pela qual eu pessoalmente gosto dele. Eu mesmo implementei e descobri que o PDA prevê padrões de olho em pior caso com alta confiança. No entanto, PDA e StatEye não incluem o impacto do transmissor e receptor no canal, e você precisa encontrar a melhor configuração de equalização manualmente.

Figura 2: Exemplo de um Padrão de Olho em azul e PDA em preto pontilhado.

Introduzindo COM

COM foi desenvolvido como parte do IEEE 802.3bj, Ethernet 100GBASE, e adicionou as imperfeições do IC ao canal simulado. É mais fácil de usar e mais amplamente adotado do que o StatEye, sendo hoje a ferramenta de previsão de qualidade de canal de fato. Como já mencionei, o COM é construído a partir do StatEye e adiciona várias novas fontes de ruído. Especificamente, as fontes de ruído são perda do IC, reflexões do pacote do IC, jitter relacionado ao IC e uma fonte de ruído gaussiano agregado para todo o resto acontecendo no IC, como diafonia. A implementação do COM é encontrada no Anexo 93A do IEEE 802.3 [5].

A maior parte da matemática por trás do COM é simplificada pelo corpo padrão tanto quanto possível. Por exemplo, a concatenação de parâmetros S é reduzida a álgebra em vez de conversões de parâmetros S para parâmetros ABCD ou T e multiplicação de matrizes. A equação mais difícil é calcular a função de densidade de probabilidade (PDF) do ruído relacionado ao ISI, mas após algumas tentativas, realmente não é tão complicado. Existem algumas omissões que são consideradas específicas da implementação, como garantir 32 pontos de amostra dentro de cada UI de dados, mas esses detalhes podem ser encontrados no código de fonte aberta fornecido gratuitamente pelo IEEE [5].

COM encontra o melhor cenário possível para um dado canal usando um conjunto de possíveis configurações de equalização. Isso é realizado varrendo todas as configurações de equalização e calculando algo chamado Figura de Mérito (FOM). A configuração de equalização que produz o melhor FOM é usada para o restante dos cálculos. Uma vez que os PDFs de todas as fontes de ruído são calculados, o ruído em uma taxa de erro detectada (DER) é identificado. O DER é a taxa de erro de bit (BER) desejada para o sistema, e é determinada pela técnica de Correções de Erro para Frente (FEC), se houver, que está sendo considerada. O sinal disponível é determinado pela tensão de resposta de pulso em um ponto de amostragem específico. O sinal disponível é dividido pelo ruído na taxa de erro detectada (relação sinal-ruído), e esse número é convertido em decibéis. Voilà! COM! Veja, na verdade tem um significado.

As configurações usadas para COM são determinadas pela tecnologia IC disponível. O nível de tecnologia IC é acordado por líderes da indústria como Intel, Broadcom, Mellanox, Fujitsu e muitos outros. Em outras palavras, um IC usando tecnologia implementada em COM deve ser capaz de funcionar em canais de trabalho conforme previsto pelo COM. Obviamente, isso é muito poderoso, já que o padrão agora (finalmente) colocou parte da propriedade do canal sobre os fornecedores de IC.

Embora pareça que COM é essa utopia de previsão de canal, ele tem limitações. Como é um conjunto de configurações para todos os sistemas considerados pelo padrão, ele não prevê o desempenho de nenhum IC individualmente. Para obter correlação de medição, você precisa ajustar as configurações de COM para cada IC individualmente. Além disso, COM negligencia qualquer contribuição de ruído devido a desvio. Felizmente, um artigo da DesignCon por Jason Chan aborda essa deficiência, e espero ver scripts COM atualizados utilizando suas ideias no futuro [6].

Conclusão

Para resumir, COM não é tão ruim assim. É um passo lógico muito importante na evolução da análise de canais, e torna a avaliação de canais relativamente fácil. Sou muito grato aos autores do COM por terem sido gentis o suficiente para liberar e dar suporte ao código MATLAB gratuitamente. Espero ver o COM implementado e aprimorado por outros engenheiros de integridade de sinal no futuro. Quem sabe, talvez veremos uma implementação em Python ou Octave algum dia.

Todas as figuras foram criadas com GNU Octave, https://www.gnu.org/software/octave/.

Referências:

[1] Página de destino do Keysight ADS, https://www.keysight.com/en/pc-1297113/advanced-design-system-ads?&cc=US&lc=eng

[2] Página de destino do PyBERT, https://pypi.org/project/PyBERT/

[3] A. Sanders, M. Resso, J. Ambrosia, Teste de Conformidade de Canal Utilizando Nova Metodologia Estatística de Olho, DesignCon 2004, http://www.ece.tamu.edu/~spalermo/ecen689/stateye_theory_sanders_designcon_2004.pdf

[4] S. Hall, H. Heck, Integridade Avançada de Sinal para Projetos Digitais de Alta Velocidade, Wiley 2011

[5] Página inicial do Grupo de Trabalho Ethernet IEEE 802.3, http://www.ieee802.org/3/

[6] J. Chan, G. Zheoff, Conversão de Modo e Seu Impacto em Sistemas PAM4 de 112-Gbps, DesignCon 2019.