Obwohl Signale mit aktuellen Standards digital übertragen werden, sind sie Hochfrequenzeffekten ausgesetzt. Mit steigender Datenrate ist somit eine Übertragung ohne Verzerrungen nur mit einem erhöhten Aufwand an Schaltungstechnik möglich. Die Sicherheit der Datenübertragung von mehreren Gigabit pro Sekunde kann durch den Einsatz von Pre-Emphasis und Entzerrfunktionen sowie durch Equalisierung gewährleistet werden. Organisatorisch bedingt arbeiten Analog- und Digitalsystementwickler isoliert voneinander an den jeweiligen Baugruppen und Teilsystemen. Erst nach dem Zusammenbau des Prototyps lässt sich das gesamte Übertragungssystem prüfen und verifizieren, wobei Fehler relativ spät erkannt werden.
System durch Co-Simulation verifizieren und optimieren
Das hat zur Folge, dass bis zur Produktreife mehrere Designzyklen zu durchlaufen sind. Ziel ist es, ein komplettes Übertragungssystem mit einer Co-Simulation auf Integrität und Funktionalität zu prüfen, zu verifizieren und zu optimieren. Dies ermöglicht eine sehr frühe Erkennung von Systemfehlern im Design und umfasst Analysetypen wie Augendiagramm, Jitter, Bitfehlerwahrscheinlichkeit (BER) und Stateye (statistische Berechnung der BER) sowie weitere analoge Analysetypen. Die schematische Darstellung der Systemarchitektur in Abbildung 1 zeigt die einzelnen Blöcke bzw. Teilsysteme eines typischen Highspeed-Serial-Übertragungssystems.
Beim Entwurf dieses Systems werden die in der Simulationsumgebung vorhandenen Analog- und DSP-Modelle eingesetzt. Weitere unterschiedliche Modelle lassen sich importieren. Die Gesamtsimulation bildet die Co-Simulation. In dieser wirken folgende Simulatoren zusammen: Ptolemy für die digitale Signalverarbeitung (DSP), Transienten-Konvolution für analoge Modelle im Zeit- und Frequenzbereich, die Momenten-Methode (Momentum) für die Berechnung komplexer Strukturen auf einer Mehrlagenplatine und die Finite-Element-Methode (FEM) für 3-D-Strukturen. Die Co-Simulation wird gesteuert vom ADS (Advanced Design System von Agilent Technologies) [1], in dem diese Simulatortechniken integriert sind. Weitere Möglichkeiten für Co-Simulationen bestehen zu Matlab oder zu HDL-Simulatoren (HDL, Hardware Description Language) [2].
In der Co-Simulation wirken verschiedene Simulatoren zusammen
Kritische Effekte im Übertragungskanal bei höheren Datenraten sind Reflexionen, Übersprechen, Dämpfung, Frequenzdispersion und Skin-Effekt. Der Frequenzbereichssimulator bietet Mehrlagenleitungsmodelle, die diese Effekte beschreiben. Außerdem erlaubt er eine sehr genaue Charakterisierung der linearen und nichtlinearen Eigenschaften von passiven und aktiven Schaltungen. Er berechnet die S-Parameter, Mixed-Mode-S-Parameter, den Leitungswiderstand und weitere analoge Daten.Modelle für komplexe Strukturen auf einer Mehrlagenplatine, die nicht mit analytischen Modellen realisiert werden können, erstellt man mit der Momenten-Methode. Diese liefert die Verteilung der verschiedenen Stromdichten in den einzelnen Zellen des Maschengitters einer Struktur und die daraus resultierenden S-Parameter. Im 3-D-Viewer werden die Verteilungen der Stromdichten visualisiert. Dadurch kann man Abstrahl- und Koppeleffekte auf der Platine entdecken. Der Simulator zur Simulation elektromagnetischer Felder (FEM) dient dazu, 3-D-Strukturen wie Stecker, Gehäuse und Bonddrahtverbindungen zu modellieren. Ausgangsfunktionen sind die S-Parameter und die elektromagnetischen Felder, die ebenfalls im 3-D-Viewer dargestellt werden können.
Aus einer Transienten-Konvolution-Simulation resultiert die Zeitfunktion der analogen Schaltung. Die Konvolution transformiert Frequenzbereichsmodelle (Leitungsmodelle und S-Parameter) in den Zeitbereich. Dadurch erhält man Zeitbereichsmodelle, die die Hochfrequenzeffekte sehr genau repräsentieren. Grundlage für den Postprozessor zur Berechnung von Time Domain Reflectometry (TDR), Time Domain Transmission (TDT), Augendiagramm und Jitter ist die simulierte Zeitfunktion. Ptolemy ist ein DSP- und Systemsimulator und basiert auf der Datenflussberechnung (DF). Er dient zur Modellierung von Kommunikations- und DSP-Systemen. Zusammen mit der Co-Simulation ermöglicht er die Verifikation des Übertragungssystems nach einem bestimmten Standard. Der Postprozessor ermittelt an Hand der Simulationsdaten die Bitfehlerwahrscheinlichkeit-Bathtub [3], das Augendiagramm usw. Eine intensive Jitteranalyse trennt die verschiedenen Jittertypen, unter anderem in Total-, Random-, Deterministic- und Data-Dependent- Jitter.
Teilsysteme modellieren und simulieren
Die PRBS-Quelle (Abbildung 1a) liefert dem Kodierer einen zufälligen Bitstrom, der die Daten in ein 8B10B- oder 64B64B-Format konvertiert. Kodierer sorgen für den Gleichspannungsausgleich und ermöglichen eine Rückgewinnung des Taktsignals im Empfänger. Für dieses Subsystem werden funktionale Modelle in der Systemsimulation mit Ptolemy eingesetzt. Modelle für einen digitalen Signalprozessor, die man im Gesamtsystem verwenden und verifizieren möchte, existieren auch im Matlab-, Verilog- oder VHDL-Format. Die Systemsimulation ermöglicht außerdem die Co-Simulation zu Matlab und zu verschiedenen HDL-Simulatoren.
Das kodierte Signal wird einer Pre-Emphasis (Vorverzerrung) unterworfen, um die Verluste der höheren Frequenzanteile im Übertragungskanal zu kompensieren (Abbildung 1b). Die Pre-Emphasis lässt sich im IBIS- oder Verilog-A-Format modellieren. Diese Modelle lassen sich mit dem Transienten-Konvolution-Simulator nachahmen. Für den Systementwurf stehen zusätzlich funktionale DSP-Modelle in Ptolemy zur Verfügung. Sende- und Empfangssubsysteme (Abbildung 1c und 1e) sind aktive, analoge Schaltkreise (Integrated Circuits, ICs) und werden bis zu moderaten Datenraten durch IBIS- oder Verilog-A-Modelle repräsentiert. Bei sehr hohen Datenraten sollte man in der Simulation zusätzlich längere Datenleitungen auf einem IC berücksichtigen, um die Hochfrequenzeffekte genau zu modellieren. Bessere Modelle erhält man hier mit der Einbindung des kompletten Schaltkreises in Form einer Netzliste des ICs. In der Regel existieren für viele ICs ADS-, HSpice- oder Spectre-Netzlisten, die auch verschlüsselt sein können. Durch die Anbindung von ADS an das Cadence Design System wird der Netzlistentransfer automatisiert. Diese Netzlisten werden auch mit Transienten-Konvolution simuliert. Eine schwierige Aufgabe ist der Entwurf des Übertragungskanals (Abbildung 1d). Er besteht aus Datenleitungen (differentielle Streifenleitungstechnik), Durchkontaktierungen, 3-D-Übergängen von Leiterplatte zu Leiterplatte, DC-Blockkondensatoren, Gehäusen, Kabeln und Anschlüssen. Durch den hohen Integrationsgrad und die Komplexität des Designs ist der Entwickler gezwungen, die Datenleitungen in verschiedene Lagen einer Leiterkarte zu legen. Dadurch entsteht eine extrem hohe Dichte an Durchkontaktierungen und Leitungen auf und zwischen den Lagen. Für die Berechnung der korrekten Abmessungen der differentiellen Streifenleitungen für einen gegebenen Wellenwiderstand sowie für eine optimale Verlegung der Leitungen und Durchkontaktierungen in einer Mehrlagenplatine verwendet man Modelle aus der Multilayer-Bibliothek. Aus Kostengründen werden oft Durchkontaktierungen eingesetzt, die durch alle Lagen führen (Through Hole Via). Verläuft die Leitungsführung zum Beispiel nur von der ersten bis zur dritten Lage, dann entsteht direkt an dieser Datenleitung eine überstehende offene Leitung (differentieller Ausgangsport, Abbildung 2). Für ein Hochfrequenzsignal ist diese überstehende Leitung eine Stichleitung, die dem Datenkanal unerwünschte parasitäre Effekte beifügt. Um möglichst alle Hochfrequenzeffekte in einer Simulation zu erfassen, werden die Bereiche entlang den Datenkanälen mit einer EM-Co-Simulation (Momentum) verifiziert. Die Simulationszeit hängt von der Anzahl der Leitungen und Durchkontaktierungen bzw. von der Komplexität der Mehrlagenplatine ab. Für einen flexiblen Entwurf wünscht man sich Modelle (Durchkontaktierungen, Stecker, Bonddrahtverbindung), mit denen man schnell simulieren kann. ADS bietet eine Funktion, die aus einer Layoutstruktur ein Schemasymbol mit dem Abbild des Layouts erzeugt und die Daten der EM-Simulation als Modell (FEM oder Momenten-Methode) anhängt. Werden die neuen EM-Modelle mit den Multilayer-Komponenten kombiniert, ist eine schnelle Simulation möglich. Die EM-Co-Simulation in Abbildung 3 zeigt links ein Momentum-Modell für eine Durchkontaktierung, in der Mitte die Mehrlagenleitungsmodelle für verschiedene Datenleitungen und rechts die FEM-Modelle für die Koaxstecker. Im DSP-Empfängersubsystem (Abbildung 1e) wird das Signal zum Beispiel mit einem Decision Feedback Equalizer (DFE) oder einem Linear Feedforward Equalizer (LFE) entzerrt. Diese Schaltungen verhalten sich wie ein „Matched Filter“ im Übertragungskanal [4]. Taktrückgewinnung und Dekodierung des Empfangssignals werden mit der digitalen Signalverarbeitungstechnik (Ptolemy) berechnet. Diese Entzerrfunktionen sorgen für die Wiederherstellung des Datensignals am Ausgang des Übertragungskanals. Abbildung 1g zeigt im Postprozessor das Augendiagramm, BER (Bathtub) und eine Jitter-Analyse.
Fazit
Die Co-Simulation dient zum Designentwurf und zur Verifikation des Gesamtsystems bzw. einzelner Teilsysteme eines Übertragungssystems. Entwicklungen von neuen EM-Simulatortechniken werden es in naher Zukunft ermöglichen, größere Teile einer komplexen Leiterplatte zu verifizieren.
Literatur
[1] http://www.agilent.com/find/eesof [2] http://eesof.tm.agilent.com/products/design_flows/ signal_integrity [3] Reser M., Badewannenkurven-Extrapolation, D&V Kompendium 2004/2005 [4] Kammeyer K. D., Nachrichtenübertragung, B. G. Teubner Stuttgart 1996
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