Biên Độ Hoạt Động của Kênh Không Quá Tệ

COM là gì?

Channel Operating Margin, hay COM, không được hiểu rõ ràng. Do không được hiểu rõ, nhiều người nghi ngờ liệu nó có thực sự có ý nghĩa gì không. Sau cùng, làm sao chất lượng kênh có thể được biểu diễn chỉ bằng một con số đo bằng decibel? Hóa ra, COM thực sự là bước tiến hóa mới nhất trong một chuỗi dài các kỹ thuật xác nhận kênh sử dụng mẫu hình mắt. Blog này sẽ truy tìm nguồn gốc của COM và giải thích ý nghĩa của chỉ số COM nổi tiếng.

Channel Operating Margin Đầu Tiên: Mẫu Hình Mắt

Hãy bắt đầu với mẫu hình mắt. Mẫu hình mắt là một cách để xem một dòng dữ liệu nối tiếp dài. Trước khi có Keysight ADS và PyBERT [1] [2], một mẫu hình mắt được đo bằng một oscilloscope lấy mẫu số hoặc một oscilloscope thời gian thực. Trong cửa sổ mẫu hình mắt, đơn vị trên trục y là điện áp và đơn vị trên trục x là thời gian bao gồm hai khoảng thời gian đơn vị. Một khoảng thời gian đơn vị, hay UI, là lượng thời gian cho một bit được truyền qua. Như vậy, trong khoảng thời gian hai UI, bạn có thể đặt trung tâm một bit dữ liệu trên màn hình với nửa bit lề ở mỗi bên. Tuy nhiên, thay vì xem chỉ một bit, tất cả các bit được chồng lên nhau, một lần một, cho đến khi toàn bộ dòng dữ liệu nối tiếp xuất hiện trên màn hình. Chất lượng tín hiệu được định lượng bằng kích thước của lỗ ở giữa. Nếu mẫu hình mắt trông thực sự tốt, bạn có thể nghe một kỹ sư nói, “Bạn có thể lái một chiếc xe tải qua cái mắt đó!” Các cách phổ biến nhất để định lượng lỗ mở là chiều rộng, chiều cao, hoặc diện tích. Sự giao nhau của mắt tại điểm DC là jitter, và jitter thường được đo một cách thống kê với một biểu đồ histogram.

Hình 1. Ví dụ về một dòng bit nối tiếp.

Các thông số kỹ thuật kênh ban đầu, và trong một số trường hợp là thông số kỹ thuật của linh kiện bị động, đã sử dụng một cái gọi là mặt nạ mắt cho tiêu chí đậu/rớt. Mặt nạ mắt thường là một khu vực hình kim cương được xác định bởi chiều rộng và chiều cao của mắt. Một mắt đạt yêu cầu chỉ có một số lượng mẫu được phát hiện hoặc va chạm, bên trong mặt nạ mắt. Các mẫu của số một và số không được quy định bởi tiêu chuẩn và thường là chuỗi bit giả ngẫu nhiên hoặc mẫu PRBS. Bạn có thể cơ bản phân loại các mẫu thành hai hạng mục: trước 10 Gb/s và sau 10 Gb/s. Trước 10 Gb/s, mã hóa 8b10b được sử dụng trong hầu hết các hệ thống và PRBS 7 là mẫu phù hợp. Khi 10 Gb/s được IEEE giới thiệu trong 802.3ba, mã hóa chuyển sang bộ lọc 64b66b và PRBS 31 trở thành chủ đạo. Ngay cả ngày nay ở 112 Gb/s, PRBS 31, hoặc QPRBS 31, vẫn là mẫu tiêu chuẩn mà hầu hết mọi người sử dụng.

Phát biểu theo thống kê

Sau khi đo các mẫu mắt, StatEye là phương pháp tiếp theo để đánh giá các kênh chủ động, và nó đã được OIF sử dụng rộng rãi. Ý tưởng đằng sau StatEye được giải thích chi tiết tại đây: [3] Nói ngắn gọn, StatEye dự đoán các mẫu mắt sử dụng phản ứng xung của một hệ thống. Phản ứng xung là phản ứng theo thời gian của một hệ thống khi được kích thích bằng một xung vuông một-UI, và hệ thống là một kênh chủ động bao gồm cả bộ cân bằng. Các công nghệ cân bằng có sẵn trong StatEye bao gồm FFE, CTLA, và DFE. Hàm chuyển của một hệ thống được thu thập từ các thông số S. Vì các thông số S của kênh có thể được mô phỏng, StatEye là một cách hiệu quả để thử nghiệm nhiều kênh và cài đặt cân bằng để xem cái nào hoạt động. Trong suốt quá trình đó, mặt nạ mắt là tiêu chí đậu/rớt sử dụng sự dự đoán mắt mở một cách thống kê.

Ở đâu đó giữa StatEye và COM, phân tích méo đỉnh (PDA) trở nên khá phổ biến. Phương pháp này được Heck và Hall tài liệu rõ ràng trong Advanced Signal Integrity for High Speed Digital Designs [4]. Tóm lại, nó sử dụng cùng một phản hồi xung như StatEye, nhưng kết quả của nó đơn giản là cái gọi là mở mắt trường hợp xấu nhất. PDA không tạo ra bất kỳ dữ liệu nào, và đó là lý do tôi cá nhân thích nó. Tôi đã tự mình triển khai nó và thấy rằng PDA dự đoán mẫu mắt trường hợp xấu nhất với sự tự tin cao. Tuy nhiên, PDA và StatEye không bao gồm ảnh hưởng của bộ phát và bộ nhận trong kênh, và bạn cần tìm cài đặt cân bằng tốt nhất một cách thủ công.

Hình 2: Ví dụ về Mẫu Mắt trong màu xanh và PDA bằng nét đứt màu đen.

Nhập COM

COM được phát triển như một phần của IEEE 802.3bj, Ethernet 100GBASE, và đã thêm các khuyết điểm của IC vào kênh mô phỏng. Nó dễ sử dụng và được áp dụng rộng rãi hơn StatEye, và là công cụ dự đoán chất lượng kênh được chấp nhận mặc định ngày nay. Như tôi đã đề cập, COM được xây dựng từ StatEye và thêm vào một số nguồn nhiễu mới. Cụ thể, các nguồn nhiễu bao gồm sự mất mát từ IC, phản xạ gói IC, jitter liên quan đến IC, và một nguồn nhiễu Gaussian tổng hợp cho tất cả các sự kiện khác xảy ra trong IC, như crosstalk. Việc triển khai COM được tìm thấy trong IEEE 802.3 Phụ lục 93A [5].

Hầu hết các phép toán đằng sau COM được cơ quan tiêu chuẩn hóa đơn giản hóa càng nhiều càng tốt. Ví dụ, việc nối tiếp tham số S được giảm xuống thành đại số thay vì chuyển đổi từ tham số S sang tham số ABCD hoặc tham số T và nhân ma trận. Phương trình khó nhất là tính toán hàm mật độ xác suất (PDF) của nhiễu liên quan đến ISI, nhưng sau vài lần thử nghiệm, thực sự không quá tồi. Có một số lược bỏ được coi là cụ thể cho việc triển khai, chẳng hạn như cách đảm bảo có 32 điểm mẫu trong mỗi UI của dữ liệu, nhưng những chi tiết này có thể được tìm thấy trong mã nguồn mở được IEEE cung cấp miễn phí [5].

COM tìm ra kịch bản tốt nhất cho một kênh nhất định bằng cách sử dụng một tập hợp các cài đặt bằng quân bình có thể. Điều này được thực hiện bằng cách quét tất cả các cài đặt bằng quân bình và tính toán một thứ gọi là Chỉ số Công dụng (FOM). Cài đặt bằng quân bình tạo ra FOM tốt nhất sẽ được sử dụng cho phần còn lại của các phép tính. Một khi PDF của tất cả các nguồn nhiễu đã được tính toán, nhiễu tại tỷ lệ lỗi phát hiện được (DER) được xác định. DER là tỷ lệ lỗi bit mong muốn (BER) cho hệ thống, và được xác định bởi kỹ thuật Sửa lỗi Tiến hóa (FEC), nếu có, đang được xem xét. Tín hiệu có sẵn được xác định bởi điện áp phản hồi xung tại một điểm lấy mẫu cụ thể. Tín hiệu có sẵn được chia cho nhiễu tại tỷ lệ lỗi phát hiện (tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu), và con số này được chuyển đổi thành decibel. Voilla! COM! Thấy không, nó thực sự có ý nghĩa.

Các cài đặt được sử dụng cho COM được xác định bởi công nghệ IC có sẵn. Mức độ công nghệ IC được thống nhất bởi các nhà lãnh đạo ngành công nghiệp như Intel, Broadcom, Mellanox, Fujitsu và nhiều công ty khác. Nói cách khác, một IC sử dụng công nghệ được triển khai trong COM nên có khả năng hoạt động trong các kênh làm việc như dự đoán bởi COM. Rõ ràng, điều này rất mạnh mẽ vì tiêu chuẩn hiện đã (cuối cùng) chuyển một phần quyền sở hữu kênh cho các nhà cung cấp IC.

Dù có vẻ như COM là thiên đường dự đoán kênh, nó vẫn có những hạn chế. Vì nó là một bộ cài đặt cho tất cả các hệ thống được xem xét bởi tiêu chuẩn, nó không dự đoán được hiệu suất của bất kỳ IC nào một mình. Để có sự tương quan đo lường, bạn cần điều chỉnh cài đặt COM cho từng IC riêng lẻ. Hơn nữa, COM bỏ qua mọi đóng góp nhiễu từ sự lệch pha. May mắn thay, một bài báo của DesignCon do Jason Chan viết đã đề cập đến thiếu sót này, và tôi hy vọng sẽ thấy các kịch bản COM được cập nhật sử dụng ý tưởng của anh ấy trong tương lai [6].  

Kết luận

Tóm lại, COM không hề tệ. Đây là bước tiếp theo rất hợp lý trong quá trình phát triển của phân tích kênh, và nó làm cho việc đánh giá kênh trở nên tương đối dễ dàng. Tôi rất biết ơn các tác giả của COM đã rất tử tế khi phát hành miễn phí và hỗ trợ mã MATLAB. Tôi hy vọng sẽ thấy COM được triển khai và cải thiện bởi các kỹ sư độ tin cậy tín hiệu khác trong tương lai. Biết đâu, có thể chúng ta sẽ thấy một bản triển khai Python hoặc Octave vào một ngày nào đó.

Tất cả hình ảnh được tạo ra bằng GNU Octave, https://www.gnu.org/software/octave/.

Tài liệu tham khảo:

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

[2] Trang chủ PyBERT, https://pypi.org/project/PyBERT/

[3] A. Sanders, M. Resso, J. Ambrosia, Kiểm tra Tuân thủ Kênh Sử dụng Phương pháp Mắt Thống kê Mới, DesignCon 2004, http://www.ece.tamu.edu/~spalermo/ecen689/stateye_theory_sanders_designcon_2004.pdf

[4] S. Hall, H. Heck, Tính toàn vẹn tín hiệu nâng cao cho các thiết kế số tốc độ cao, Wiley 2011

[5] Trang chủ Nhóm làm việc Ethernet IEEE 802.3, http://www.ieee802.org/3/

[6] J. Chan, G. Zheoff, Chuyển đổi chế độ và Ảnh hưởng của nó đối với Hệ thống PAM4 112-Gbps, DesignCon 2019.