Analyseur de protocole ou oscilloscope ?

Pour permettre les multiples vagues d’innovation qui caractérisent le monde d’aujourd’hui, les dispositifs à semi-conducteurs continuent d’intégrer davantage de fonctionnalités de connectivité que jamais auparavant. Les capteurs d’image, les capteurs radar, les écrans, les microcontrôleurs et les processeurs de périphérie modernes intègrent tous des protocoles de communication sophistiqués basés sur des paquets, souvent plus avancés que les protocoles réseau qui n’étaient auparavant utilisés que dans les ordinateurs centraux. Ces nouveaux protocoles au niveau des composants nécessitent des tests approfondis à des fins de validation de la conception, et ces tests ne peuvent plus être réalisés à l’aide de simples configurations d’oscilloscopes. Une analyse approfondie des données doit être effectuée à l’aide d’outils tels que des analyseurs de protocoles et des générateurs de tests.

Dans cet article, nous vous présentons l’architecture d’un oscilloscope, celle d’un analyseur de protocole, ainsi que les atouts et les limites de chaque type d’instrument de mesure. Pour ce faire, nous vous proposons des exemples concrets de mesures ainsi que des connaissances acquises au fil des années dans ce domaine. Mais commençons par découvrir comment est conçu un oscilloscope !

Architecture d’un oscilloscope

La figure 1 présente un schéma fonctionnel de haut niveau d’un oscilloscope. Comme on peut le constater, le composant le plus important dans la conception d’un oscilloscope est le convertisseur analogique-numérique (CAN). C’est ce composant qui numérise le signal d’entrée (généralement un signal de tension) et le convertit en valeurs numériques. L’ADC est un composant à haute résolution qui génère un volume important de données pour chaque échantillon d’entrée. Par exemple, dans un oscilloscope de 12 bits et 20 GHz, chaque échantillon mesuré produit 12 bits de données qui doivent être traités avant d’être affichés. C’est pourquoi un oscilloscope dispose généralement de deux espaces mémoire : l’un pour stocker les nombres numérisés bruts, et l’autre pour stocker les données finales de la forme d’onde au format numérique après leur traitement.

Figure 1 : Architecture d’un oscilloscope

Architecture d’un analyseur de protocole

La figure 2 présente le schéma fonctionnel d’un analyseur de protocole moderne. Comme vous pouvez le constater, la chaîne de traitement est nettement plus courte que celle d’un oscilloscope, ce qui constitue la principale différence entre ces deux types d’instruments. L’analyseur de protocole ne comporte pas de convertisseur analogique-numérique (ADC) ; les données numériques sont traitées directement dans une machine à états matérielle.

Figure 2 : Schéma fonctionnel de l’analyseur de protocole

Un oscilloscope mesure les formes d’onde ; un analyseur de protocole mesure les données

Les schémas fonctionnels ci-dessus mettent clairement en évidence la différence d’utilisation entre un oscilloscope et un analyseur de protocole. En résumé, un oscilloscope est idéal pour mesurer des formes d’onde, tandis qu’un analyseur de protocole est idéal pour mesurer des données. Compte tenu de l’importance des données dans les applications actuelles d’apprentissage automatique et de détection environnementale, la capacité à « mesurer » les données est primordiale, et c’est pourquoi les analyseurs de protocole deviennent indispensables dans les laboratoires modernes de validation et de caractérisation.

La figure 3 résume les différentes mesures proposées par ces deux types d’instruments. Comme on peut le constater, un oscilloscope permet d’observer la forme des signaux de tension mesurés. La forme d’un signal aide à quantifier des paramètres tels que le temps de montée du signal, le bruit et la gigue. Ces paramètres sont utilisés pour évaluer la qualité de la liaison de communication d’un point de vue physique. D’autre part, l’analyseur de protocole offre une analyse approfondie des données transmises. Chaque bit de chaque paquet est détecté et vérifié, ce qui permet de garantir l’intégrité des données ainsi que la conformité aux spécifications très complexes du protocole.

Figure 3 : Mesure type (a) à l’oscilloscope, (b) à l’analyseur de protocole

Limites de l’oscilloscope

Importantes lacunes en matière de mesure

Lorsqu’il s’agit de valider des implémentations complexes de protocoles basés sur des paquets, la principale limite de l’oscilloscope réside dans l’existence de lacunes de mesure extrêmement importantes, dues à la mémoire d’acquisition limitée et à la lenteur des circuits de déclenchement. Même les oscilloscopes en temps réel les plus onéreux disponibles aujourd’hui souffrent de ces lacunes, qui les rendent incapables de mesurer ne serait-ce que 10 millisecondes de données – une durée très courte. Pour illustrer cela, veuillez vous reporter à la figure 4, qui est dessinée à l’échelle sur la base des spécifications publiées d’un oscilloscope en temps réel haut de gamme typique. Sur cette figure, la transmission d’un long paquet de protocole est mesurée ; elle est représentée par la ligne rouge épaisse au bas de la figure. Si un oscilloscope tente de capturer cette communication par paquets, il se déclencherait du côté gauche et stockerait, disons, jusqu’à 0,5 milliseconde de données. L’oscilloscope passe ensuite par une étape de traitement intensive avant d’afficher la forme d’onde sur son écran. Cette étape de traitement est si intensive qu’elle peut durer 1 seconde avant que la « forme d’onde » suivante puisse être affichée, comme l’illustre l’échelle de la figure 4. En effet, chaque écran de la figure représente 5 millisecondes de forme d’onde, et l’intervalle entre les deux écrans est de 1 seconde. En pratique, le temps de traitement sur les oscilloscopes classiques peut être bien supérieur à 1 seconde, et la durée de capture peut être inférieure à 5 millisecondes.

Figure 4 : Lacune d’échantillonnage sur un oscilloscope

Si une erreur de bit se produit n’importe où dans l’intervalle illustré ci-dessus à la figure 4, l’oscilloscope ne pourra jamais la détecter. En effet, cette notion de recherche de la cause première des erreurs de bit est la raison principale pour laquelle nous avons rédigé cet article de blog. Souvent, les ingénieurs affirment que « le diagramme en œil semble propre » ; un exemple concret d’un tel diagramme est présenté à la figure 5. Sur cette figure, le diagramme en œil d’un dispositif a été mesuré à l’aide d’un oscilloscope et jugé « propre ». Cependant, le dispositif présentait un défaut de synchronisation qui entraînait des erreurs rares, et ces erreurs se manifestaient sous la forme d’échecs de communication au niveau du protocole. Elles n’ont jamais été détectées, sauf lorsqu’un analyseur de protocole d’Introspect Technology a été mis en œuvre.

La raison pour laquelle l’analyseur de protocole a pu diagnostiquer les erreurs sur le dispositif ci-dessus est illustrée à la figure 6. Sur cette figure, le même signal que celui de la figure 5 est mesuré à l’aide d’un analyseur de protocole, et vous pouvez constater que celui-ci est capable de capturer l’intégralité des données sur une durée d’une seconde, sans interruption. C’est cette mesure continue et ininterrompue qui fait de l’analyseur de protocole l’outil idéal pour mesurer des liaisons reposant sur des protocoles de communication complexes basés sur des paquets.

Figure 5 : Exemple concret d’un diagramme en œil clair

Figure 6 : Absence d’intervalle d’échantillonnage dans un analyseur de protocole

En se référant au même appareil que celui qui a été mesuré à la figure 5, la figure suivante présente les rares erreurs qui ont été diagnostiquées à l’aide de l’analyseur de protocole Introspect Technology. Comme on peut le constater, plusieurs millisecondes peuvent s’écouler avant qu’une erreur ne se produise. Le rôle principal de l’analyseur de protocole est de fournir un enregistrement temporel complet de toutes les données mesurées et de faciliter le diagnostic des erreurs, qui peuvent être d’ordre logique et pas nécessairement analogiques.

Figure 7 : Trace d’analyseur de protocole montrant des erreurs rares

Nombre limité de chaînes

Une autre limite de l’utilisation des oscilloscopes pour valider des systèmes basés sur des protocoles réside dans le nombre restreint de canaux. Les circuits convertisseurs analogiques-numériques (ADC) d’un oscilloscope sont très complexes ; il n’est donc pas réaliste d’en intégrer un grand nombre dans un seul oscilloscope. De ce fait, les oscilloscopes ne proposent généralement que quatre canaux, et ce nombre est divisé par deux si les signaux mesurés sont différentiels. Il est évident que si un capteur d’image utilise 16 voies différentielles, l’oscilloscope ne constituerait pas une solution très pratique pour le valider. En revanche, les analyseurs de protocole prennent généralement en charge un nombre de canaux bien plus important.

Coût élevé

Enfin, la technologie d’échantillonnage d’un oscilloscope est coûteuse, et son coût ne cesse d’augmenter à mesure que la bande passante des oscilloscopes s’élargit. Il n’est pas rare de dépenser 0,5 million de dollars pour un oscilloscope de pointe. Si un tel investissement en vaut incontestablement la peine pour certaines applications de caractérisation et de mesure, il devient toutefois peu pratique pour la validation ou les tests fonctionnels de systèmes entièrement assemblés.

Un analyseur de protocole peut-il également mesurer des formes d’onde ?

Avant de conclure cet article, nous tenons à souligner que certains analyseurs de protocole permettent encore de mesurer des formes d’onde. En règle générale, ces analyseurs ne disposent ni de la flexibilité ni des performances analogiques d’un oscilloscope en temps réel. Ils peuvent toutefois être utilisés sur site pour diagnostiquer certains problèmes liés aux formes d’onde. Par exemple, les analyseurs d’Introspect Technology permettent généralement d’effectuer des mesures de diagrammes en œil, dont un exemple est présenté à la figure 8.

Figure 8 : Diagramme en œil issu des analyseurs d’Introspect Technology

Conclusion

Dans cet article, nous avons abordé une question qui nous est fréquemment posée : l’oscilloscope est-il un outil plus utile qu’un analyseur de protocoles pour valider les protocoles numériques ? Pour y répondre, nous avons présenté l’architecture de l’oscilloscope et celle de l’analyseur de protocoles, et nous avons mis en évidence certaines des limites liées à l’utilisation d’un oscilloscope pour la validation de protocoles complexes. Nous avons montré en quoi les lacunes d’échantillonnage des oscilloscopes nuisent au diagnostic des erreurs de protocole rares.

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