Рисунок глаз

В телекоммуникациях , глазковая диаграмма также известная как глазковая диаграмма , представляет собой дисплей осциллографа , на котором цифровой сигнал от приемника периодически дискретизируется и подается на вертикальный вход ( ось Y ), в то время как скорость передачи данных используется для запуска горизонтальная развертка ( ось X ). Он назван так потому, что для некоторых типов кодирования шаблон выглядит как серия глазков между парой рельсов. Это инструмент для оценки совокупного влияния канального шума, дисперсии и межсимвольных помех на производительность системы передачи импульсов в полосе частот. Впервые этот метод был использован в времен Второй мировой войны SIGSALY защищенной системе передачи речи .

С математической точки зрения глазковый узор представляет собой визуализацию функции плотности вероятности (PDF) сигнала по модулю единичного интервала (UI). Другими словами, он показывает вероятность того, что сигнал будет иметь каждое возможное напряжение на протяжении всего пользовательского интерфейса. Обычно к PDF-файлу применяется цветовая шкала , чтобы облегчить визуализацию небольших различий в яркости.

несколько показателей производительности системы Анализируя дисплей, можно получить . Если сигналы слишком длинные, слишком короткие, плохо синхронизированы с системными часами, слишком высокие, слишком низкие, слишком шумные или слишком медленные для изменения, или имеют слишком большое отклонение или превышение , это можно наблюдать по глазковой диаграмме. Диаграмма открытого глаза соответствует минимальным искажениям сигнала . сигнала Искажение формы из-за межсимвольной интерференции и шума проявляется как замыкание глазковой диаграммы. ^[1]^[2]^[3]

Расчет

Исходные данные

Первым шагом вычисления глазковой диаграммы обычно является получение анализируемой формы сигнала в квантованной форме. Это можно сделать путем измерения реальной электрической системы с помощью осциллографа с достаточной полосой пропускания или путем создания синтетических данных с помощью симулятора цепей , чтобы оценить целостность сигнала предлагаемой конструкции. Также можно использовать комбинацию двух подходов: моделирование воздействия произвольной цепи или линии передачи на измеряемый сигнал, возможно, чтобы определить, будет ли сигнал по-прежнему разборчивым после прохождения по длинному кабелю. В это время также можно применить интерполяцию , чтобы увеличить количество выборок на единицу интервала (UI) и создать плавный график без пробелов, который будет более визуально привлекательным и более простым для понимания.

Нарезка

Затем необходимо определить положение каждого образца в пользовательском интерфейсе. Существует несколько способов сделать это в зависимости от характеристик сигнала и возможностей используемого осциллографа и программного обеспечения. Этот шаг критически важен для точной визуализации дрожания глаз.

Запуск

Очень простой метод нарезки — установить ширину дисплея осциллографа чуть больше одного пользовательского интерфейса, запустить запуск как по нарастающему, так и по спадающему фронту сигнала и включить постоянство отображения, чтобы все измеренные сигналы «складывались» в один график. Это имеет то преимущество, что возможно практически на любом осциллографе (даже полностью аналоговом) и может обеспечить достойную визуализацию шума и общей формы сигнала, но полностью уничтожает джиттер сигнала, поскольку триггер прибора повторно синхронизирует график с каждым пользовательским интерфейсом. . При использовании этого метода виден только джиттер самого осциллографа, а также джиттер чрезвычайно высоких частот (частоты с периодом меньшим, чем пользовательский интерфейс).

Фиксированная ставка

Простой способ отобразить джиттер глазковой диаграммы в сигнале — это оценить скорость передачи символов сигнала (возможно, путем подсчета среднего количества пересечений нуля в известном временном окне) и получить множество пользовательских интерфейсов за один захват осциллографа. Первое пересечение нуля в захвате определяется и объявляется началом первого пользовательского интерфейса, а оставшаяся часть сигнала делится на фрагменты длиной в один пользовательский интерфейс.

Этот подход может адекватно работать для стабильных сигналов, в которых скорость передачи символов остается одинаковой с течением времени, однако неточности в системе означают, что некоторый дрейф неизбежен, поэтому на практике он используется редко. В некоторых протоколах, таких как SATA , скорость передачи символов намеренно изменяется с помощью синхронизации с расширенным спектром , поэтому предположение о фиксированной скорости приведет к тому, что глаз сильно преувеличит фактический джиттер, присутствующий в сигнале. (Хотя модуляция тактового сигнала с расширенным спектром технически представляет собой джиттер в строгом смысле слова, приемники для этих систем предназначены для отслеживания модуляции. Единственный джиттер, представляющий интерес для инженера по обеспечению целостности сигнала, - это джиттер, намного превышающий скорость модуляции, чего приемник не может отслеживать эффективно.)

Эталонные часы

В некоторых протоколах, таких как HDMI , вместе с сигналом подается опорный тактовый сигнал либо на символьной скорости, либо на более низкой (но синхронизированной) частоте, из которой можно восстановить символьный тактовый сигнал. Поскольку фактический приемник в системе использует опорный тактовый сигнал для выборки данных, использование этих тактовых импульсов для определения границ пользовательского интерфейса позволяет глазковому шаблону точно отображать сигнал так, как его видит получатель: отображается только дрожание между сигналом и опорным тактовым сигналом.

Восстановление часов

Большинство высокоскоростных последовательных сигналов, таких как PCIe , DisplayPort и большинство вариантов Ethernet , используют линейный код , который предназначен для обеспечения простого восстановления тактовой частоты с помощью PLL . Поскольку именно так работает реальный приемник, наиболее точным способом разделения данных для глазковой диаграммы является программная реализация системы ФАПЧ с теми же характеристиками. Правильная конфигурация ФАПЧ позволяет глазу скрыть эффекты синхронизации с расширенным спектром и другие долговременные изменения скорости передачи символов, которые не способствуют ошибкам в приемнике, при этом отображая более высокий частотный джиттер.

Интеграция

Затем выборки накапливаются в двумерную гистограмму , где ось X представляет время в пользовательском интерфейсе, а ось Y представляет напряжение. Затем это нормализуется путем деления значения в каждом интервале гистограммы на значение в наибольшем интервале. тональное отображение Чтобы подчеркнуть различные части распределения, можно применить , логарифмическое масштабирование или другие математические преобразования, а к конечному глазу для отображения применяется цветовой градиент.

Для точного представления сигнала могут потребоваться большие объемы данных; от десятков до сотен миллионов пользовательских интерфейсов часто используются для одного шаблона глаза. В приведенном ниже примере глаз, использующий двенадцать тысяч пользовательских интерфейсов, показывает только базовую форму глаза, тогда как глаз, использующий восемь миллионов пользовательских интерфейсов, показывает гораздо больше нюансов на восходящих и спадающих фронтах.

Глазковая диаграмма двенадцати тысяч пользовательских интерфейсов сигнала со скоростью 1,25 Гбит/с
Глазковая диаграмма восьми миллионов UI (единичных интервалов) сигнала со скоростью 1,25 Гбит/с.

Модуляция

Каждая форма модуляции основной полосы создает глазковый рисунок с уникальным внешним видом.

НРЗ

Глазковая диаграмма сигнала NRZ должна состоять из двух четко различимых уровней с плавными переходами между ними.

МЛТ-3

Глазковая диаграмма сигнала MLT-3 должна состоять из трех четко различимых уровней (номинально -1, 0, +1 снизу вверх). Уровень 0 должен находиться при нулевом вольте, а общая форма должна быть симметричной относительно горизонтальной оси. Состояния +1 и -1 должны иметь одинаковую амплитуду. Должны быть плавные переходы из состояния 0 в состояния +1 и -1, однако не должно быть прямых переходов из состояния -1 в состояние +1 (что указывало бы на то, что сигнал является PAM-3, а не MLT-3).

ПАМ

Глазковая диаграмма сигнала PAM должна состоять из N четко различных уровней (в зависимости от порядка PAM, например, PAM-4 должен иметь четыре уровня, а PAM-3 — три). Общая форма должна быть симметричной относительно горизонтальной оси, а расстояние между всеми уровнями должно быть одинаковым.

ПСК

Эффекты канала

Многие свойства канала можно увидеть на глазковой диаграмме.

Акцент

Акцент, приложенный к сигналу, создает дополнительный уровень для каждого значения сигнала, которое выше (для предыскажения) или ниже (для уменьшения выделения), чем номинальное значение.

Глазковый рисунок выделенного сигнала на первый взгляд может быть ошибочно принят за сигнал PAM, однако при ближайшем рассмотрении выявляются некоторые ключевые различия. В частности, подчеркнутый сигнал имеет ограниченный набор допустимых переходов:

От сильного состояния к соответствующему слабому состоянию (битовая комбинация 1-1 или 0-0)
Сильное состояние в противоположное сильное состояние (второй переход битовой комбинации 1-0-1 или 0-1-0)
Слабое состояние в противоположное сильное состояние (второй переход битовой комбинации 1-1-0 или 0-0-1)

Подчеркнутый сигнал никогда не перейдет из слабого состояния в соответствующее сильное состояние, из слабого состояния в другое слабое состояние и не останется в одном и том же сильном состоянии более чем в одном пользовательском интерфейсе. Сигнал PAM также обычно имеет одинаково разнесенные уровни, тогда как подчеркнутые уровни обычно ближе к номинальному уровню сигнала.

Высокочастотные потери

Потери в дорожках печатной платы и кабелях увеличиваются с увеличением частоты из-за диэлектрических потерь , что заставляет канал вести себя как фильтр нижних частот . Результатом этого является увеличение времени нарастания/спада сигнала. Если скорость передачи данных достаточно высока или канал имеет достаточные потери, сигнал может даже не достичь своего полного значения во время быстрого перехода 0-1-0 или 1-0-1 и стабилизироваться только после серии нескольких одинаковых битов. Это приводит к вертикальному закрытию глаза.

На изображении ниже показан сигнал NRZ со скоростью 1,25 Гбит/с после прохождения через канал с потерями — коаксиальный кабель RG-188 длиной примерно 12 футов (3,65 метра). В этом канале потери возрастают довольно линейным образом от 0,1 дБ при постоянном токе до 9 дБ на частоте 6 ГГц.

Верхняя и нижняя «рельсы» глаза показывают конечное напряжение, которого достигает сигнал после нескольких последовательных битов с одинаковым значением. Поскольку канал имеет минимальные потери постоянного тока, максимальная амплитуда сигнала практически не изменяется. Глядя на нарастающий фронт сигнала (паттерн 0-1), мы видим, что сигнал начинает выравниваться около -300 пс , но продолжает медленно расти в течение всего времени работы пользовательского интерфейса. Примерно при +300 пс сигнал либо снова начинает падать (паттерн 0-1-0), либо продолжает медленно расти (паттерн 0-1-1).

По мере увеличения высокочастотных потерь общая форма глаза постепенно деградирует до синусоидальной (после устранения высокочастотных гармоник данных остается только основная) и уменьшается амплитуда.

Несоответствие импеданса

Шлейфы, несоответствия импедансов и другие дефекты в линии передачи могут вызывать отражения , видимые как дефекты на краях сигнала. Отражения с задержкой более одного UI часто делают глаз совершенно нечитаемым из-за межсимвольной интерференции (ISI) , однако отражения с более короткой задержкой можно легко увидеть по форме глаза.

На изображении ниже в линии присутствует шлейф с разомкнутой цепью примерно один дюйм (25,4 мм), вызывающий первоначальный эффект низкого импеданса (снижение амплитуды), за которым следует положительное отражение от конца шлейфа с задержкой около 320 Ом. ps или 0,4 пользовательского интерфейса. Это можно ясно увидеть как «ступеньку» нарастающего фронта, при которой сигнал возрастает до доли полного значения, выравнивается на время задержки прохождения шлейфа, а затем возрастает до своего полного значения при появлении отражения.

На изображении ниже к концу того же шлейфа добавлены еще три дюйма кабеля. Тот же «шаг» присутствует, но теперь он в четыре раза длиннее, создавая отражения со скоростью около 1280 пс или 1,6 UI. Это приводит к экстремальному ISI (поскольку отражение каждого пользовательского интерфейса поступает во время последующего пользовательского интерфейса), что полностью закрывает глаза.

Измерения

Из глазковой диаграммы можно получить множество измерений: ^[4]

Амплитудные измерения

Амплитуда глаза
Амплитуда пересечения глаз
Процент пересечения глаз
Высота глаз
Уровень глаз
Отношение глазного сигнала к шуму
Фактор качества
Вертикальное открывание глаз

Измерения времени

Детерминированный джиттер
Время пересечения глаз
Задержка глаз
Время падения глаз
Время подъема глаз
Ширина глаза
Горизонтальное открывание глаз
Размах джиттера
Случайный джиттер
Среднеквадратичный джиттер
Джиттер CRC
Общий джиттер

Интерпретация измерений

Функция глазковой диаграммы	Что он измеряет
Открытие глаз (высота, от вершины до вершины)	Аддитивный шум в сигнале
Перелет/недолет глазка	искажения из-за прерываний на пути прохождения сигнала
Ширина глаза	Синхронизация времени и джиттера эффекты
Закрытие глаз	Межсимвольная интерференция, аддитивный шум

См. также

Примечания

^ Кристофер М. Миллер «Определение характеристик высокоскоростного цифрового передатчика с использованием анализа глазковых диаграмм». 1266 Hewlett-Packard Journal, 45 (1994) август, № 4. Архивировано 26 января 2021 г. в Wayback Machine , стр. 29–37.
^ В этой статье использованы общедоступные материалы из Федеральный стандарт 1037C . Управление общего обслуживания . Архивировано из оригинала 22 января 2022 г. (в поддержку MIL-STD-188 ).
^ Джон Дж. Проакис, Цифровые коммуникации, 3-е изд., 2001 г.
^ «Описание файла справки Matlab о том, как использовать функции глазковой диаграммы в Communications Toolbox» .

Ссылки

«Руководство по эксплуатации программного обеспечения HP E4543A Q Factor и Eye Contours» (PDF) . 1999. Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г.
«Руководство пользователя для анализа глазковых диаграмм Agilent 71501D» (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г.

Внешние ссылки

Рюкербауэр, Герман. «Рождение глаза» . Ютуб . Приведен пример видео построения рисунка глаз.
Понимание методологии глазковых диаграмм данных для анализа высокоскоростных цифровых сигналов

[1] Кристофер М. Миллер «Определение характеристик высокоскоростного цифрового передатчика с использованием анализа глазковых диаграмм». 1266 Hewlett-Packard Journal, 45 (1994) август, № 4. Архивировано 26 января 2021 г. в Wayback Machine , стр. 29–37.

[2] В этой статье использованы общедоступные материалы из Федеральный стандарт 1037C . Управление общего обслуживания . Архивировано из оригинала 22 января 2022 г. (в поддержку MIL-STD-188 ).

[3] Джон Дж. Проакис, Цифровые коммуникации, 3-е изд., 2001 г.

[4] «Описание файла справки Matlab о том, как использовать функции глазковой диаграммы в Communications Toolbox» .

[1]

[2]

[3]

[4]