Automatisierte Konformitätsprüfung High-Speed-Schnittstellen schneller testen

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Das Testen von Datenkabeln kann mehrere Tage dauern und erfordert einen hohen manuellen Aufwand. Mit der automatisierten Konformitätstestlösung von Rohde & Schwarz reduziert sich die Testzeit auf wenige Minuten.

Interne und externe Schnittstellen müssen Daten immer schneller übertragen. Ein Treiber dieser Anforderungen sind moderne KI-Chatbots wie ChatGPT, Bing Chat oder Bard. Um ihnen die benötigte hohe Rechenleistung zur Verfügung zu stellen, haben Hardwarehersteller das Konzept des modularen Computers eingeführt, mit dem drei Ziele erreicht werden sollen: höhere Datenübertragungs- und Speicherkapazität, geringerer Wartungsaufwand und niedrige Betriebskosten. Die hohen Datenmengen, die von Modul zu Modul und von Server zu Server fließen, bringen selbst moderne Hochgeschwindigkeitsdatenkabel an ihre Grenzen.

Externe Datenkabel, insbesondere DAC-Kabel (Direct Attach Copper), sind für die Anforderungen von Hochgeschwindigkeitsnetzwerken nach dem Ethernet-Standard ausgelegt, beispielsweise IEEE 802.3 für Datenraten bis zu 100 GBit/s. Für computerinterne Datenverbindungen wird häufig eine Technologie verwendet, die Peripheral Component Interconnect Express, besser bekannt als PCIe, genannt wird. Der neueste Standard PCIe 6.0 unterstützt bis zu 64 Gigatransfers pro Sekunde (GT/s). Interne Kabel und Datenleitungen werden verwendet, um den Host-Prozessor mit nahe gelegenen Peripheriegeräten oder Grafik- und Netzwerkkarten zu verbinden.

Testen von Hochgeschwindigkeits-Datenkabeln

Hochgeschwindigkeits-Datenkabel bestehen aus Lanes, also Kupferdrähten, die einen differentiellen Signalpfad bilden. Der Konformitätstest eines Kabels nach IEEE 802.3 umfasst die Prüfung der Übertragung (THRU) jeder einzelnen Lane sowie die Prüfung auf Nahübersprechen (Near End Crosstalk, NEXT) durch benachbarte Lanes und auf Fernübersprechen (Far End Crosstalk, FEXT) durch gegenüberliegende Lanes. Ein Beispiel ist in Bild 1 dargestellt.

Für höhere Datenraten bestehen die Kabel aus immer mehr Kanälen, die alle und in verschiedenen Kombinationen getestet werden müssen. Häufig werden dafür 4-Tor-Vektor-Netzwerkanalysatoren (VNA) eingesetzt, mit dem Nachteil, dass häufig von Hand gemessen und umgesteckt werden muss. Diese Arbeit ist zum einen mühsam, da repetitiv und fehleranfällig, und zum anderen zeitaufwendig. Im Falle eines QSPF-DD/OSFP-Kabels mit acht Lanes sind 256 manuelle Messungen und entsprechendes Umstecken erforderlich. Die Prüfung eines solchen Kabels kann leicht mehrere Tage in Anspruch nehmen.

Zur Prüfung gehört auch die normgerechte Aufbereitung der Messdaten für die Pass/Fail-Bewertung. Da die im Standard definierten Kenngrößen immer komplexer und vielfältiger werden, steigt auch hier der Aufwand. Beispielsweise definiert IEEE 802.3 als zu ermittelnde Kenngrößen die Kanalbetriebsgrenze (Channel Operation Margin, COM) und die Rückflussdämpfung (Effective Return Loss, ERL). Der PCIe-Standard führt Kenngrößen zur Bewertung der Einfügedämpfung (Integrated Return Loss, iRL) und des NEXT/FEXT Component Contributed Inte­grated Crosstalk Noise (ccICN) ein.

Schnelle und zuverlässige Kabeltests in drei Schritten

Sich wiederholende und zeitaufwendige Aufgaben lassen sich am effizientesten automatisieren. Rohde & Schwarz hat eine schlüsselfertige Testlösung für Hochgeschwindigkeits-Datenkabel entwickelt. Sie besteht aus dem leistungsfähigen Vektor-Netzwerkanalysator R&S ZNB, der offenen Schalt- und Steuerplattform R&S OSP und der Testautomatisierungssuite R&S ZNrun Vector Network Analyzer und ermöglicht schnelle, einfache und zuverlässige Kabeltests. Mit dem R&S ZNrun Cable Test Client und den Automatisierungsoptionen R&S ZNrun-K4xx für Konformitätstests bietet die Lösung einen unkomplizierten Testablauf in drei Schritten: Einrichten, Kalibrieren und Messen. Jeder Automatisierungsschritt ist auf minimale Kalibrier- und Messzeiten optimiert.

Der Cable Test Client konfiguriert die Schalt- und Steuermodule, führt alle notwendigen Messschritte durch und übernimmt die Aufbereitung der Messdaten zur normgerechten Ermittlung der genannten Kenngrößen COM, ERL, ccICN, iRL und weiterer. Die Software erstellt automatisch einen umfassenden Prüfbericht mit Pass/Fail-Gesamtergebnis. Dies spart viel Zeit, die nun für die Analyse der Testergebnisse zur Verfügung steht. Gleichzeitig werden menschliche Fehler im Prüfprozess minimiert.

Maximale Geschwindigkeit und minimale Umschaltvorgänge

Häufig werden der VNA und die Schalt- und Steuerplattform getrennt angesteuert. Wird jedoch ein VNA von Rohde & Schwarz mit dem R&S OSP erweitert, muss nur der VNA gesteuert werden. Die Schaltmatrix R&S OSP wird automatisch als Messtorerweiterung erkannt und vom Vektornetzwerkanalysator gesteuert. Mit dieser Funktion legt der R&S ZNrun Cable Test Client flexibel die Anzahl der Lanes im Testplan fest und ordnet die Kabelpins den physikalischen Messtoren des VNA zu. Die Bedienoberfläche für den Konformitätstest ist dadurch wesentlich einfacher zu bedienen.

Die Kalibrieralgorithmen der Konformitätstestlösung sind auf maximale Geschwindigkeit und minimale Umschaltvorgänge optimiert. Das reduziert den Testaufwand und spart Zeit. Ein intuitiver Kalibrierassistent führt Schritt für Schritt durch den Kalibrierprozess und verkürzt die Gesamtmesszeit erheblich. Diese Funktion ist eine Eigenentwicklung von Rohde & Schwarz und in dieser Form noch nicht am Markt verfügbar. So dauert beispielsweise die Kalibrierung eines Testaufbaus mit 48 Messtoren für QSFP-DD/OSFP-8-Lane-Kabel nur noch 45 Minuten statt zwei Arbeitstage und mehr.

Automatisierte Nachbearbeitung und Testbericht

Nach der Kalibrierung können alle Messungen auf Knopfdruck ausgeführt werden. Wird eine bestimmte Messung nicht benötigt, kann sie einfach aus dem Auswahlmenü entfernt werden. Anschließend arbeitet der R&S ZNrun die zusammengestellte Testsequenz ab, sammelt am Ende alle Touchstone-Dateien mit den Rohdaten und verarbeitet die Signalintegritätsparameter entsprechend nach. Die Ergebnisse werden im abschließenden Konformitätsbericht mit Pass/Fail-Gesamtergebnis zusammengefasst und in Form von Ergebnistabellen und Diagrammen aufbereitet.

Neben vollautomatischen Konformitätstests bietet R&S ZNrun auch die Möglichkeit kundenspezifischer Tests und Datenaufbereitung. Dazu können Grenzwerte selbst definiert und die zu messenden Lanes frei gewählt werden. Welche Kenngrößen aus den Messungen ermittelt werden sollen, ist ebenfalls wählbar. Für Schnelltests können einzelne Messungen deaktiviert werden. Für erste Plausibilitätsmessungen vor einer vollständigen Konformitätsprüfung können Frequenzbereich und Sweepzeit auf benutzerdefinierte Werte eingestellt werden.

Deembedding-Assistent zur Kompensation von Testadaptern

Im Allgemeinen werden die zu prüfenden Hochgeschwindigkeits-Datenkabel in Testadapter gesteckt, um eine koaxiale Umgebung zu schaffen und die VNA-Messtore mit den Kabelstiften zu verbinden. Der wichtigste Aspekt ist das Deembedding, also die exakte Kompensation der Einflüsse aller Testadapter auf die Messung. Mit den Optionen R&S ZNA/R&S ZNB-K2xx steht der Deembedding-Assistent direkt über die Firmware des VNA zur Verfügung. Eine Impedanzkorrekturfunktion im Deembedding- Algorithmus eliminiert Störeffekte durch Mehrfachreflexionen, die durch einen nicht angepassten Testadapter verursacht werden. Dadurch wird die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Prüfergebnisse erheblich verbessert.

In den Rechenzentren und Netzwerkinfrastrukturen gibt es einen klaren Trend zu höheren Datenraten und mehr Kanälen in Hochgeschwindigkeitsschnittstellen. Das wird dazu führen, dass geschickte Entstörmaßnahmen, insbesondere gegen Nebensprechen, sowie Mehrtor-Tests an Bedeutung gewinnen. In der Entwicklung sind Technologien für die nächste Spezifikationsgeneration wie IEEE 802.3dj/df mit bis zu 1,6 TBit/s und PCIe 7.0 mit bis zu 128 GT/s. Rohde & Schwarz bietet eine Lösung einschließlich einer Automatisierungssoftware für Vektor-Netzwerkanalysatoren zur Charakterisierung von internen und externen Hochgeschwindigkeits-Datenkabeln für Konformitätstests und verwandte Anwendungen.

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