Steckverbinder Kabel-Steckverbinder-Baugruppen schnell und einfach testen

Von Martin Wimmers

Für eine zuverlässige Highspeed-Datenübertragung müssen Ingenieure die zugehörigen Kabel-Steckverbinder-Baugruppen eingehend prüfen. Die Serdes-Simulation sowie das Augendiagramm verraten wichtige Stellschrauben für die Signalintegrität.

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Highspeed-Verbindungsqualität lässt sich u. a. auf das validierte In-Situ-De-Embedding (ISD) von Ataitec mit einem R&S ZNB20 VNA testen. Das Bild zeigt ein beispielhaftes Testergebnis für die Verbesserung des Augendiagramms bei 10 GB/s NRZ-Daten mit EQ.
Highspeed-Verbindungsqualität lässt sich u. a. auf das validierte In-Situ-De-Embedding (ISD) von Ataitec mit einem R&S ZNB20 VNA testen. Das Bild zeigt ein beispielhaftes Testergebnis für die Verbesserung des Augendiagramms bei 10 GB/s NRZ-Daten mit EQ.
(Bild: Fischer Connectors)

Mit steigenden Bitraten, Signalfrequenzen und längeren Übertragungsstrecken wird die Datenübertragung immer anfälliger für Störungen wie Einfüge- und Reflexionsverluste sowie Nah- und Fernübersprechen. Auch kleinste Entscheidungen beim Design von Kabel-Steckverbinder-Baugruppen für die Highspeed-Datenübertragung können die Signalintegrität und damit die Gesamtqualität der Verbindung beeinflussen. Eine besondere Rolle kommt deshalb Tests auf der Komponenten- sowie auf der Systemebene zu. Damit können Ingenieure bereits in der Designphase unerwünschte Effekte identifizieren und eliminieren, indem sie beispielsweise die Steckergeometrie anpassen.

Um eine Verbindung zuverlässig zu charakterisieren, sind eine Reihe von Elementen zu beachten: Transceiver-Modelle, TX- und RX-Puffer, TX- und RX-Pakete, Pre-Emphasis, De-Emphasis, Entzerrungsschaltungen und schließlich Taktdatenrückgewinnungsmodule.

Komponenten richtig testen mit Netzwerkanalysator

Beispiele für PCB-Halterungen für VNA-Messungen.
Beispiele für PCB-Halterungen für VNA-Messungen.
(Bild: Fischer Connectors)

Wenn an den Komponenten, die geprüft werden sollen, keine koaxialen Schnittstellen vorliegen, behelfen sich Ingenieure mit Prüfvorrichtungen, die zwischen der koaxialen Schnittstelle des Geräts und der zu prüfenden Komponente zwischengeschaltet werden. In der Regel dient ein Netzwerkanalysator (engl: Network Analyzer, kurz: VNA) dazu, die Übertragungsparameter einer Kabel-Steckverbinder-Baugruppe im Frequenzbereich zu ermitteln. Konkret werden damit die Streuparameter (S-Parameter) gemessen, d. h. die Wellengröße der Reflexion und Transmission als Funktion der Frequenz an den elektrischen Toren. Denn insbesondere bei Steckverbindern sind es die Reflexionsverluste, die die Qualität der Signalübertragung schmälern können. Ausgehend von der erforderlichen Bandbreite muss für den Anschluss der Kabel-Steckverbinder-Baugruppe an das VNA-Gerät eine High-Speed-Präzisionsleiterplatte entworfen werden.

Konkret empfiehlt die Norm IEEE Std 370-2020 die folgende Vorgehensweise:

  • 1. Entwerfen Sie passende Leiterplattenhaltungen für die Leiterplatten-Leistungsklassen A, B und C.
  • 2. Beseitigen Sie die Umgebungseinflüsse mithilfe einer geeigneten De-Embedding-Methode.
  • 3. Überprüfen Sie die Qualität der S-Parameter-Messungen anhand von Passivitäts-, Kausalitäts- sowie Reziprozitätsmetriken.

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Der Connectivity-Experte Fischer Connectors unterzieht seine Verbindungstechnik umfangreichen Tests, um eine hohe Highspeed-Verbindungsqualität zu gewährleisten. Zum Testen greift das Unternehmen unter anderem auf das validierte In-Situ-De-Embedding (ISD) von Ataitec mit einem R&S ZNB20 VNA zurück (beispielhafte Testergebnisse siehe Bild oben).

Serdes-Simulation und Augendiagramm

Zur Untersuchung der Geschwindigkeit einer Kabel-Steckverbinder-Baugruppe können Parameter auf Systemebene abgeleitet werden, wie z. B. Augendiagramme, Bathtub-Kurven und vieles mehr. Ein sogenannter Serializer/Deserializer (kurz: Serdes) wird eingesetzt, um serielle Daten in parallele Daten zu konvertieren. Der Serdes stellt die Datenübertragung über eine einzelne oder differentielle Leitung auch bei geringer Bandbreite oder über Medien sicher, die keine parallelen Daten unterstützen. Die Simulation des Serdes gibt Aufschluss über entscheidende Parameter der Verbindung. Zur Visualisierung der Serdes-Simulation dient das Augendiagramm. Ein Augendiagramm entsteht, wenn ein- und dasselbe Signal zu verschiedenen Zeitpunkten gemessen und die Messungen überlagert werden. Auf diese Weise lassen sich die statistisch verteilten Signalverläufe summieren.

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So funktioniert das Augendiagramm

Die Fischer-Minimax-Serie mit neun Kontakten ist ein Beispiel für einen Steckverbinder, der speziell für die Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung mit einem einzigen Protokoll (USB 3.2) entwickelt wurde.
Die Fischer-Minimax-Serie mit neun Kontakten ist ein Beispiel für einen Steckverbinder, der speziell für die Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung mit einem einzigen Protokoll (USB 3.2) entwickelt wurde.
(Bild: Fischer Connectors)

Anhand der Augenöffnung des Augendiagramms können Ingenieure ablesen, ob eine Signalübertragung stattfindet und wie störungsanfällig diese ist. Konkret stellt die horizontale Augenöffnung den Zeitraum dar, in dem sich der logische Momentanzustand überhaupt auswerten lässt. Sind die Phasenzusammenhänge nicht eindeutig oder volatil, etwa durch Jitter, schließt sich das Auge in horizontaler Richtung. Wenn die Pegel nicht die Höhe erreichen, die zur Ansteuerung der nächsten Stufe notwendig sind, wird die Erkennung der Übertragung auch bei noch offenem Auge unmöglich.

Indes zeigt die vertikale Augenöffnung an, ob eine Übertragung überhaupt möglich ist und wie empfindlich die Übertragung gegenüber Störungen ist. Ist das Auge geschlossen, so ist keine Signalrekonstruktion durch einen einfachen Schwellwert-Detektor möglich. Hier lohnt sich ein genauer Blick auf die Ursachen und mögliche Work- arounds: Wenn etwa das Augendiagramm eines Kanals aufgrund einer hohen Einfügungsdämpfung am Empfänger geschlossen ist, kann es mithilfe von Entzerrungsschaltungen leicht geöffnet werden.

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* Martin Wimmers ist Geschäftsführer der Fischer Connectors GmbH

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