今日の世界における幾重ものイノベーションの波を可能にするために、半導体デバイスは過去にないほど多くの接続機能を統合し続けています。最新のイメージセンサー、レーダーセンサー、ディスプレイ、マイクロコントローラー、エッジプロセッサーは、いずれも高度なパケットベースの通信プロトコルが組み込まれており、以前はメインフレームコンピューターでしか使用されていなかったネットワークプロトコルよりも高度なものが多いのです。これらの新しいコンポーネントレベルのプロトコルは、設計検証のために広範なテストを必要とし、このテストはもはや単純なオシロスコープのセットアップでは達成できません。プロトコルアナライザやエクセサイザのようなツールを用いて、深いデータ解析を行う必要があります。

このブログでは、オシロスコープとプロトコル・アナライザのアーキテクチャ、そしてそれぞれの測定器の長所と短所を紹介します。このブログでは、オシロスコープ、プロトコル・アナライザのアーキテクチャと、それぞれの測定器の長所と短所を、実際の測定例と、私たちが長年にわたって培ってきた測定上の知見を交えて紹介します。その前に、オシロスコープがどのように作られているかを説明します。

オシロスコープの構造

図1は、オシロスコープのハイレベルなブロック図です。オシロスコープの設計において、最も重要な部品は、ADC（Analog to Digital Converter）であることがおわかりいただけると思います。これは、入力信号（通常は電圧信号）をデジタル化し、数値に変換する部品です。ADC は、入力サンプルごとに多くのデータを生成する高分解能の部品です。例えば、12ビットの20GHzオシロスコープでは、測定する各サンプルから12ビットのデータが生成され、表示する前に処理する必要があります。このため、オシロスコープには、生のデジタル化された数値を保存するためのメモリと、処理後の最終的な波形データを数値形式で保存するためのメモリの2つのスペースがあるのが一般的です。

図1：オシロスコープの構成

プロトコルアナライザの構成

図2は、最新のプロトコルアナライザのブロック図です。この図からわかるように、オシロスコープと比較して処理チェーンが非常に短く、この点が2つの測定器の最も重要な違いです。プロトコル・アナライザでは、ADCは存在せず、デジタル・データはハードウェアのステート・マシンで直接処理されます。

図2：プロトコルアナライザーのブロック図

オシロスコープは波形を、プロトコルアナライザはデータを測定します

上記のブロック図から、オシロスコープとプロトコル・アナライザーの用途の違いが明らかでしょう。つまり、オシロスコープは波形を測定するのに適しており、プロトコル・アナライザはデータを測定するのに適しているのです。機械学習や環境センシングのアプリケーションでは、データの重要性が増しているため、データを「測定」する能力が最も重要であり、そのため、現代の検証や特性評価ラボでは、プロトコル・アナライザが不可欠になってきているのです。

図3は、2種類の測定器が提供する測定内容の違いをまとめたものです。オシロスコープでは、測定された電圧信号の形状を把握することができます。信号の形状は、信号の立ち上がり時間、ノイズ、ジッターなどのパラメータを定量化するのに役立ちます。そして、これらのパラメータは、物理的な観点から通信リンクの品質を推定するために使用されます。一方、プロトコルアナライザは、伝送されるデータについて深い洞察を与えてくれます。すべてのパケットのすべてのビットを検出して検証し、データの整合性を確保するとともに、非常に複雑なプロトコル仕様への準拠を確認するのに有効です。

図3: 典型的な(a)オシロスコープによる測定、(b)プロトコルアナライザによる測定

オシロスコープの制限事項

測定ギャップが大きい

複雑なパケット・ベースのプロトコル実装を検証する場合、オシロスコープの最も深刻な制限は、限られた捕捉メモリと遅いトリガ回路に起因する法外な大きさの測定ギャップの存在です。今日、最も高価なリアルタイム・オシロスコープでさえ、10 ミリ秒という非常に短い時間 のデータを測定できないほどのギャップに悩まされています。図 4 は、一般的な高価なリアルタイム・オシロスコープの仕様に基づき、縮尺して描かれています。この図では、長いプロトコル・パケットの転送を測定しており、図の下部にある赤い太い線で示されています。オシロスコープがこのパケット通信を捕捉しようとする場合、左側でトリガーをかけ、例えば0.5ミリ秒分のデータまで保存することになります。その後、オシロスコープは、画面に波形を表示する前に、集中的な処理を行います。この処理ステップは、次の “波形 “を表示するまでに1秒を要するほど集中的で、図4のスケールはこれを示しています。つまり、図中の各画面は5ミリ秒相当の信号波形を表し、2つの画面の間隔は1秒である。実際には、一般的なオシロスコープの処理時間は1秒よりもさらに長く、捕捉時間は5ミリ秒以下となることがあります。

図4：オシロスコープにおけるサンプリング・ギャップ

もし、図4のような隙間のどこかでビット・エラーが発生したら、オシロスコープでは絶対に捕捉することができないのです。実は、このビット・エラーの根本原因を突き止めるという考え方が、このブログを執筆した最大の理由なのです。よく、エンジニアは「アイ・ダイアグラムはきれいに見える」と言いますが、そのようなアイ・ダイアグラムの実例を図5に示します。この図では、あるデバイスのアイダイアグラムをオシロスコープで測定し、「きれい」であることを確認したものです。しかし、このデバイスには、まれにエラーが発生するタイミング不良があり、そのエラーはプロトコル通信の障害として現れていました。このエラーは、イントロスペクトテクノロジーのプロトコルアナライザーを導入する以外、発見されることはありませんでした。

このプロトコルアナライザが、上記装置のエラーを診断できた理由を図6に示す。図では、図5と同じ信号をプロトコルアナライザで測定していますが、プロトコルアナライザは1秒間のデータを途切れることなく取り込んでいることが分かります。このように途切れることなく継続的に測定できることが、プロトコルアナライザが複雑なパケットベースの通信プロトコルに基づくリンクの測定に最適である理由です。

図5：クリーンアイダイアグラムの実写例

図6：プロトコルアナライザーにおけるサンプリングギャップの無さ

図5で測定した同じデバイスを参照し、Introspect Technology社のプロトコルアナライザーを使って診断した稀なエラーの様子を次の図に示します。見てわかるように、エラーが発生するまでに数ミリ秒かかることがあります。プロトコルアナライザの主な仕事は、測定中の全データの完全な時間記録を提供し、アナログとは限らない論理的なものである可能性のあるエラーの診断を支援することです。

図7：稀に発生するエラーを示すプロトコルアナライザーのトレース

限られたチャンネル数

プロトコル・ベースのシステムを検証するためにオシロスコープを使用する際のもう一つの制約は、チャ ンネル数に制限があることです。オシロスコープの ADC 回路は非常に複雑であるため、1 台のオシロスコープに多くの ADC 回路 を内蔵することは現実的ではありません。そのため、オシロスコープには、一般的に4つのチャネルしかなく、測定する信号が差動であれば、この数は2で割られます。明らかに、イメージセンサが16の差動レーンを使用している場合、オシロスコープはその検証のためのあまり実用的なソリューションではないでしょう。一方、プロトコル・アナライザは、通常、より多くのチャネルをサポートしています。

高いコスト

最後に、オシロスコープのサンプリング・テクノロジーは高価であり、オシロスコープの帯域幅が広がれば広がるほど、そのコストは増加し続けます。最新鋭のオシロスコープを購入するために、5,000万円を費やすことは、決して珍しいことではありません。このような投資は、特定の特性評価や測定用途では間違いなく価値がありますが、完全に組み立てられたシステムの検証や機能テストには、現実的ではありません。

プロトコル・アナライザは波形も測定できるのか？

このブログを終える前に、一部のプロトコル・アナライザは波形を測定することができることをお知らせしておきます。これらのアナライザは、一般的なリアルタイム・オシロスコープのような柔軟性やアナログ性能は持っていません。しかし、波形の問題を診断するために、その場で使用することができます。例えば、Introspect Technology社のアナライザは、通常アイ・ダイアグラムの測定が可能で、その一例を図 8 に示します。

図8：Introspect Technology社製アナライザーのアイダイアグラム

まとめ

このブログでは、デジタルプロトコルの検証にはオシロスコープとプロトコルアナライザのどちらが有用かという、よくある質問について取り上げました。この質問を解決するために、オシロスコープとプロトコル・アナライザのアーキテクチャを紹介し、複雑なプロトコルの検証にオシロスコープを使用することの限界をいくつか紹介しました。また、オシロスコープのサンプリング・ギャップが、稀なプロトコル・エラーを診断する上で、いかに不利であるかを説明しました。