Patrón de ojos

Patrón de ojos gráficos que muestra un ejemplo de dos niveles de potencia en un esquema de modulación OOK. Se muestran los niveles binarios constantes 1 y 0, así como las transiciones de 0 a 1, 1 a 0, 0 a 1 y 1 a 0 a 1.

En telecomunicaciones, un patrón de ojo, también conocido como diagrama de ojo, es una pantalla de osciloscopio en la que una señal digital de un receptor se muestrea repetidamente y se aplica al entrada vertical, mientras que la tasa de datos se utiliza para activar el barrido horizontal. Se llama así porque, para varios tipos de codificación, el patrón parece una serie de ojos entre un par de rieles. Es una herramienta para la evaluación de los efectos combinados del ruido de canal, la dispersión y la interferencia entre símbolos en el rendimiento de un sistema de transmisión de pulsos de banda base. La técnica se utilizó por primera vez con el sistema de transmisión de voz segura SIGSALY de la Segunda Guerra Mundial.

Desde una perspectiva matemática, un patrón de ojo es una visualización de la función de densidad de probabilidad (PDF) de la señal, módulo el intervalo unitario (UI). En otras palabras, muestra la probabilidad de que la señal esté en cada voltaje posible durante la duración de la interfaz de usuario. Por lo general, se aplica una rampa de color al PDF para que las pequeñas diferencias de brillo sean más fáciles de visualizar.

Se pueden derivar varias medidas de rendimiento del sistema mediante el análisis de la pantalla. Si las señales son demasiado largas, demasiado cortas, mal sincronizadas con el reloj del sistema, demasiado altas, demasiado bajas, demasiado ruidosas o demasiado lentas para cambiar, o tienen demasiado bajo o sobreimpulso, esto se puede observar en el diagrama del ojo. Un patrón de ojos abiertos corresponde a una mínima distorsión de la señal. La distorsión de la forma de onda de la señal debido a la interferencia entre símbolos y al ruido aparece como un patrón de cierre del ojo.

Cálculo

Datos de origen

El primer paso para calcular un patrón de ojo es normalmente obtener la forma de onda que se analiza en una forma cuantificada. Esto se puede hacer midiendo un sistema eléctrico real con un osciloscopio de ancho de banda suficiente o creando datos sintéticos con un simulador de circuito para evaluar la integridad de la señal de un diseño propuesto. También se puede usar una combinación de los dos enfoques: simular los efectos de un circuito arbitrario o una línea de transmisión en una señal medida, tal vez para determinar si una señal seguirá siendo inteligible después de pasar por un cable largo. La interpolación también se puede aplicar en este momento para aumentar la cantidad de muestras por interfaz de usuario y producir un gráfico suave y sin espacios que sea más atractivo visualmente y más fácil de entender.

Rebanar

A continuación, se debe determinar la posición de cada muestra dentro de la interfaz de usuario. Existen varios métodos para hacerlo según las características de la señal y las capacidades del osciloscopio y el software en uso. Este paso es de vital importancia para la visualización precisa de la inestabilidad en el ojo.

Activación

Un método muy simple de dividir es configurar la pantalla del osciloscopio para que tenga un poco más de una interfaz de usuario de ancho, disparar tanto en los bordes ascendentes como descendentes de la señal, y habilitar la persistencia de la pantalla para que todas las formas de onda medidas se "apilen". 34; en una sola parcela. Esto tiene la ventaja de ser posible en casi cualquier osciloscopio (incluso en los completamente analógicos) y puede proporcionar una visualización decente del ruido y la forma general de la señal, pero destruye por completo el contenido de fluctuación de la señal, ya que el disparador del instrumento vuelve a sincronizar el parcela a cada interfaz de usuario. La única fluctuación visible con este método es la del propio osciloscopio, así como la fluctuación de frecuencia extremadamente alta (frecuencias con un período menor que la IU).

Tarifa fija

Una forma sencilla de hacer que el patrón de ojo muestre fluctuaciones en la señal es estimar la tasa de símbolos de la señal (quizás contando el número promedio de cruces por cero en una ventana de tiempo conocida) y adquiriendo muchas IU en un solo osciloscopio. captura. El primer cruce por cero en la captura se ubica y se declara como el comienzo de la primera interfaz de usuario, y el resto de la forma de onda se divide en fragmentos de una interfaz de usuario de largo.

Este enfoque puede funcionar adecuadamente para señales estables en las que la tasa de símbolos permanece exactamente igual a lo largo del tiempo; sin embargo, las imprecisiones en el sistema significan que es inevitable cierta desviación, por lo que rara vez se usa en la práctica. En algunos protocolos, como SATA, la tasa de símbolo se varía intencionalmente mediante el uso de reloj de espectro ensanchado, por lo que asumir una tasa fija hará que el ojo exagere enormemente la fluctuación real presente en la señal. (Mientras que la modulación de espectro ensanchado en un reloj es técnicamente fluctuación en sentido estricto, los receptores de estos sistemas están diseñados para rastrear la modulación. La única fluctuación de interés para un ingeniero de integridad de la señal es mucho más rápida que la tasa de modulación, que el receptor no puede detectar). realizar un seguimiento eficaz.)

Reloj de referencia

Con algunos protocolos, como HDMI, se proporciona un reloj de referencia junto con la señal, ya sea a la velocidad de símbolo o a una frecuencia más baja (pero sincronizada) a partir de la cual se puede reconstruir un reloj de símbolo. Dado que el receptor real en el sistema usa el reloj de referencia para muestrear los datos, el uso de este reloj para determinar los límites de la interfaz de usuario permite que el patrón de ojo muestre fielmente la señal tal como la ve el receptor: solo se muestra la fluctuación entre la señal y el reloj de referencia.

Recuperación de reloj

La mayoría de las señales seriales de alta velocidad, como PCIe, DisplayPort y la mayoría de las variantes de Ethernet, utilizan un código de línea cuyo objetivo es permitir una fácil recuperación del reloj por medio de un PLL. Dado que así es como funciona el receptor real, la forma más precisa de dividir los datos para el patrón del ojo es implementar un PLL con las mismas características en el software. La configuración correcta de PLL permite que el ojo oculte los efectos del reloj de espectro ensanchado y otras variaciones a largo plazo en la tasa de símbolos que no contribuyen a los errores en el receptor, al mismo tiempo que muestra una fluctuación de frecuencia más alta.

Integración

Luego, las muestras se acumulan en un histograma bidimensional, en el que el eje X representa el tiempo dentro de la interfaz de usuario y el eje Y representa el voltaje. Luego, esto se normaliza dividiendo el valor en cada intervalo de histograma por el valor en el intervalo más grande. Se puede aplicar el mapeo de tonos, la escala logarítmica u otras transformaciones matemáticas para enfatizar diferentes partes de la distribución, y se aplica un degradado de color al ojo final para la visualización.

Es posible que se necesiten grandes cantidades de datos para proporcionar una representación precisa de la señal; Decenas a cientos de millones de interfaces de usuario se utilizan con frecuencia para un solo patrón de ojo. En el siguiente ejemplo, el ojo que usa doce mil UI solo muestra la forma básica del ojo, mientras que el ojo que usa ocho millones de UI muestra muchos más matices en los bordes ascendente y descendente.

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  Patrón de ojos de doce mil UIs de una señal de 1,25 Gbit/s

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  Patrón de ojos de ocho millones de UIs de una señal de 1,25 Gbit/s

Modulación

Cada forma de modulación de banda base produce un patrón de ojo con una apariencia única.

NRZ

El patrón de ojo de una señal NRZ debe constar de dos niveles claramente distintos con transiciones suaves entre ellos.

Patrón de ojos de una señal NRZ de 1,25 Gbit/s

MLT-3

El patrón de ojo de una señal MLT-3 debe constar de tres niveles claramente diferenciados (nominalmente -1, 0, +1 de abajo hacia arriba). El nivel 0 debe ubicarse en cero voltios y la forma general debe ser simétrica con respecto al eje horizontal. Los estados +1 y -1 deben tener la misma amplitud. Debe haber transiciones suaves desde el estado 0 a los estados +1 y -1, sin embargo, no debe haber transiciones directas desde el estado -1 al +1.

Patrón de ojos de una señal MLT-3 de 125 Mbit/s

PAM

El patrón de ojo de una señal PAM debe constar de N niveles claramente diferenciados (según el orden de PAM, por ejemplo, PAM-4 debe tener cuatro niveles). La forma general debe ser simétrica con respecto al eje horizontal y el espaciado de todos los niveles debe ser uniforme.

PSK

Efectos de canal

Muchas propiedades de un canal se pueden ver en el patrón del ojo.

Énfasis

El énfasis aplicado a una señal produce un nivel adicional para cada valor de la señal que es más alto (para pre-énfasis) o más bajo (para desacentuación) que el valor nominal.

El patrón de ojo de una señal con énfasis puede confundirse con el de una señal PAM a primera vista, sin embargo, una inspección más cercana revela algunas diferencias clave. En particular, una señal enfatizada tiene un conjunto limitado de transiciones legales:

• Estado fuerte al estado débil correspondiente (1-1 o 0 bit patrón)
• Estado fuerte frente al estado fuerte (segunda transición de un patrón de 1-0-1 o 0-1-0 bit)
• Estado débil frente al estado fuerte (segunda transición de un patrón de 1-1-0 o 0-0-1)

Una señal enfatizada nunca pasará de un estado débil al estado fuerte correspondiente, de un estado débil a otro estado débil, ni permanecerá en el mismo estado fuerte durante más de una interfaz de usuario. Una señal PAM normalmente también tiene niveles igualmente espaciados, mientras que los niveles enfatizados normalmente están más cerca del nivel de señal nominal.

Patrón de ojos de una señal NRZ de 1,25 Gbps con 6 dB de pre-emfasis

Pérdida de alta frecuencia

La pérdida de trazas y cables de la placa de circuito impreso aumenta con la frecuencia debido a la pérdida dieléctrica, lo que hace que el canal se comporte como un filtro de paso bajo. El efecto de esto es un aumento en el tiempo de subida/bajada de la señal. Si la tasa de datos es lo suficientemente alta o el canal tiene suficientes pérdidas, es posible que la señal ni siquiera alcance su valor completo durante una transición rápida 0-1-0 o 1-0-1, y solo se estabilice después de una ejecución de varios bits idénticos. Esto resulta en el cierre vertical del ojo.

La siguiente imagen muestra una señal NRZ de 1,25 Gbit/s después de atravesar un canal con pérdida: un cable coaxial RG-188 de aproximadamente 3,65 metros (12 pies) de largo. Este canal tiene pérdidas que aumentan de forma bastante lineal desde 0,1 dB a CC hasta 9 dB a 6 GHz.

Los "rieles" superior e inferior del ojo muestran el voltaje final que alcanza la señal después de varios bits consecutivos con el mismo valor. Dado que el canal tiene una pérdida mínima en CC, la amplitud máxima de la señal no se ve afectada en gran medida. Al observar el borde ascendente de la señal (un patrón 0-1), podemos ver que la señal comienza a estabilizarse alrededor de -300 ps, pero continúa aumentando lentamente durante la duración de la interfaz de usuario. Alrededor de +300 ps, la señal comienza a caer nuevamente (un patrón 0-1-0) o continúa aumentando lentamente (un patrón 0-1-1).

Patrón de ojos de una señal NRZ de 1,25 Gbit/s a través de un canal de pérdida

A medida que aumentan las pérdidas de alta frecuencia, la forma general del ojo se degrada gradualmente en una sinusoide (una vez que se eliminan los armónicos de frecuencia más alta de los datos, todo lo que queda es el fundamental) y disminuye en amplitud.

Desajustes de impedancia

Los stubs, los desajustes de impedancia y otros defectos en una línea de transmisión pueden causar reflejos visibles como defectos en los bordes de la señal. Los reflejos con un retraso superior a una interfaz de usuario a menudo hacen que el ojo sea completamente ilegible debido a la interferencia entre símbolos (ISI); sin embargo, aquellos con un retraso más corto se pueden ver fácilmente en la forma del ojo.

En la siguiente imagen, hay un trozo de circuito abierto de aproximadamente una pulgada (25,4 mm) en la línea, lo que provoca un efecto inicial de baja impedancia (amplitud reducida) seguido de un reflejo positivo desde el final del trozo con un retraso. de unos 320 ps o 0,4 UI. Esto se puede ver claramente como un "paso" en el flanco ascendente en el que la señal sube a una fracción del valor total, se estabiliza por el retardo de ida y vuelta del stub, luego sube a su valor total cuando llega el reflejo.

Patrón de ojos de una señal NRZ de 1,25 Gbit/s con un corte de 1 pulgada

En la imagen a continuación, se agregan tres pulgadas adicionales de cable al final del mismo trozo. El mismo "paso" está presente pero ahora es cuatro veces más largo, produciendo reflejos a aproximadamente 1280 ps o 1.6 UI. Esto produce un ISI extremo (ya que el reflejo de cada interfaz de usuario llega durante la interfaz de usuario posterior) que cierra completamente el ojo.

Patrón de ojos de una señal NRZ de 1,25 Gbit/s con un corte de cuatro pulgadas

Medidas

Hay muchas medidas que se pueden obtener de un diagrama de ojo:

Medidas de amplitud

• Ampliación de ojos
• Ampliación de cruce de ojos
• Porcentaje de cruce de ojos
• Altura del ojo
• Nivel de ojos
• Relación de señal a ruido
• Factor de calidad
• Apertura vertical del ojo

Medidas de tiempo

• Deterministic jitter
• Tiempo de cruce de ojos
• Retraso del ojo
• Tiempo de caída del ojo
• Tiempo de elevación del ojo
• Ancho de ojos
• Apertura horizontal del ojo
• Peak-to-peak jitter
• Aleatorio
• RMS jitter
• CRC jitter
• Total jitter

Interpretación de medidas