Oční vzor - Eye pattern
V telekomunikacích je oční vzor , také známý jako oční diagram , osciloskopický displej, na kterém se opakovaně vzorkuje digitální signál z přijímače a aplikuje se na svislý vstup, zatímco rychlost dat se používá ke spuštění horizontálního tažení. Říká se tomu proto, že u několika typů kódování vypadá vzor jako řada očí mezi dvojicí kolejnic. Jedná se o nástroj pro hodnocení kombinovaných účinků šumu kanálu, disperze a intersymbolové interference na výkon impulsního přenosového systému v základním pásmu.
Z matematického hlediska oko vzor je vizualizace funkce hustoty pravděpodobnosti (PDF) signálu, modulo na interval jednotka (UI). Jinými slovy, ukazuje pravděpodobnost, že signál bude při každém možném napětí po dobu trvání uživatelského rozhraní. Na PDF se obvykle aplikuje barevná rampa , aby bylo možné vizualizovat malé rozdíly jasu.
Analýzou displeje lze odvodit několik opatření pro výkon systému . Pokud jsou signály příliš dlouhé, příliš krátké, špatně synchronizované se systémovými hodinami, příliš vysoké, příliš nízké, příliš hlučné nebo příliš pomalé na to, aby se změnily, nebo mají příliš mnoho podkusů nebo překmitů , lze to pozorovat z očního diagramu. Vzor otevřeného oka odpovídá minimálnímu zkreslení signálu . Zkreslení signálu vlny kvůli Mezisymbolové rušení a šum se jeví jako uzavření vzoru očí.
Výpočet
Zdrojová data
Prvním krokem výpočtu očního obrazce je obvykle získání analyzovaného průběhu vlny v kvantované formě. Toho lze dosáhnout měřením skutečného elektrického systému osciloskopem s dostatečnou šířkou pásma nebo vytvořením syntetických dat pomocí simulátoru obvodu za účelem vyhodnocení integrity signálu navrhovaného návrhu. Může být také použita kombinace těchto dvou přístupů: simulace účinků libovolného obvodu nebo přenosového vedení na měřený signál, snad k určení, zda bude signál i po průchodu dlouhým kabelem stále srozumitelný. V současné době lze také použít interpolaci, aby se zvýšil počet vzorků na uživatelské rozhraní a vytvořil hladký graf bez mezer, který je vizuálně přitažlivější a srozumitelnější.
Krájení
Dále je třeba určit polohu každého vzorku v uživatelském rozhraní. V závislosti na charakteristikách signálu a schopnostech používaného osciloskopu a softwaru existuje několik způsobů, jak toho dosáhnout. Tento krok je kriticky důležitý pro přesnou vizualizaci chvění v oku.
Spouštění
Velmi jednoduchou metodou krájení je nastavit zobrazení osciloskopu o něco více než jedno široké uživatelské rozhraní, spouštět na stoupajících i sestupných hranách signálu a povolit perzistenci zobrazení, aby se všechny měřené průběhy „stohovaly“ do jednoho grafu. To má tu výhodu, že je to možné na téměř jakémkoli osciloskopu (dokonce i plně analogovém) a může poskytnout slušnou vizualizaci šumu a celkového tvaru signálu, ale zcela zničí jitterový obsah signálu, protože spoušť nástroje znovu synchronizuje graf s každým uživatelským rozhraním . Jediným jitterem viditelným touto metodou je jitter samotného osciloskopu a extrémně vysokofrekvenční jitter (frekvence s periodou kratší než UI).
Pevná sazba
Jednoduchý způsob, jak se v obraze chvějí oční vzory, je odhadnout symbolovou rychlost signálu (třeba spočítáním průměrného počtu přechodů nuly ve známém časovém okně) a získání mnoha uživatelských rozhraní jediným snímáním osciloskopu. První překročení nuly v záběru je lokalizováno a deklarováno jako začátek prvního uživatelského rozhraní a zbývající část průběhu je rozdělena na bloky o délce jednoho uživatelského rozhraní.
Tento přístup může fungovat adekvátně pro stabilní signály, ve kterých je symbolová rychlost v průběhu času naprosto stejná, nicméně nepřesnosti v systému znamenají, že určitý posun je nevyhnutelný, takže se v praxi používá jen zřídka. V některých protokolech, jako je SATA , se symbolová rychlost záměrně mění pomocí taktování rozprostřeného spektra , takže za předpokladu, že fixní rychlost povede k tomu, že oko hrubě přehánělo skutečný jitter přítomný na signálu. (Zatímco modulace rozprostřeného spektra na hodinách je technicky chvění v užším slova smyslu, přijímače pro tyto systémy jsou navrženy tak, aby sledovaly modulaci. Jediný jitter, který je předmětem zájmu inženýra integrity signálu, je jitter mnohem rychlejší než modulační rychlost, kterou přijímač nedokáže efektivně sledovat.)
Referenční hodiny
U některých protokolů, jako je HDMI , jsou spolu se signálem dodávány referenční hodiny, a to buď při symbolové rychlosti, nebo při nižší (ale synchronizované) frekvenci, ze které lze symbolové hodiny rekonstruovat. Vzhledem k tomu, že skutečný přijímač v systému používá k vzorkování dat referenční hodiny, pomocí těchto hodin k určení hranic uživatelského rozhraní umožňuje oční vzor věrně zobrazit signál tak, jak jej vidí přijímač: zobrazuje se pouze jitter mezi signálem a referenčními hodinami.
Obnovení hodin
Většina vysokorychlostních sériových signálů, jako je PCIe , DisplayPort a většina variant ethernetu , používá linkový kód, který má umožnit snadnou obnovu hodin pomocí PLL . Protože takto funguje skutečný přijímač, je nejpřesnějším způsobem krájení dat pro oční schéma implementace PLL se stejnými charakteristikami v softwaru. Správná konfigurace PLL umožňuje oku skrývat účinky taktování rozprostřeného spektra a dalších dlouhodobých změn v symbolové rychlosti, které nepřispívají k chybám v přijímači, a přitom stále vykazují jitter s vyšší frekvencí.
Integrace
Vzorky jsou poté nahromaděny do dvourozměrného histogramu , přičemž osa X představuje čas v UI a osa Y představuje napětí. To se pak normalizuje vydělením hodnoty v každém zásobníku histogramu hodnotou v největším zásobníku. Mapování tónů , logaritmické škálování nebo jiné matematické transformace mohou být použity za účelem zdůraznění různých částí distribuce a na konečné oko je použit barevný přechod pro zobrazení.
K zajištění přesné reprezentace signálu může být zapotřebí velkého množství dat; desítky až stovky milionů uživatelských rozhraní se často používají pro vzor jednoho oka. V níže uvedeném příkladu ukazuje oko využívající dvanáct tisíc uživatelských rozhraní pouze základní tvar oka, zatímco oko využívající osm milionů uživatelských rozhraní ukazuje mnohem více nuancí na stoupajících a klesajících hranách.
Oční schéma dvanácti tisíc UI signálu 1,25 Gbit/s
Oční schéma osmi milionů uživatelských rozhraní signálu 1,25 Gbit/s
Modulace
Každá forma modulace základního pásma vytváří oční vzor s jedinečným vzhledem.
NRZ
Oční vzor signálu NRZ by měl sestávat ze dvou jasně odlišných úrovní s plynulými přechody mezi nimi.
MLT-3
Oční vzor signálu MLT -3 by měl sestávat ze tří jasně odlišných úrovní (nominálně -1, 0, +1 zdola nahoru). Úroveň 0 by měla být umístěna na nulových voltech a celkový tvar by měl být symetrický k vodorovné ose. Stavy +1 a -1 by měly mít stejnou amplitudu. Měly by existovat plynulé přechody ze stavu 0 do stavu +1 a -1, neměly by však existovat žádné přímé přechody ze stavu -1 do +1.
PAM
Oční vzor signálu PAM by měl sestávat z N jasně odlišných úrovní (v závislosti na pořadí PAM by například PAM-4 měl mít čtyři úrovně). Celkový tvar by měl být symetrický vůči vodorovné ose a rozteč všech úrovní by měla být jednotná.
PSK
Efekty kanálu
Mnoho vlastností kanálu lze vidět v oku.
Důraz
Důraz kladený na signál vytváří další úroveň pro každou hodnotu signálu, která je vyšší (pro předběžné zdůraznění) nebo nižší (pro nižší zdůraznění) než nominální hodnota.
Oční vzor pro signál s důrazem může být na první pohled mylně považován za signál PAM, nicméně bližší kontrola odhalí některé klíčové rozdíly. Nejvýrazněji má zdůrazněný signál omezenou sadu legálních přechodů:
- Silný stav na odpovídající slabý stav (1-1 nebo 0-0 bitový vzor)
- Silný stav do opačného silného stavu (druhý přechod bitového vzoru 1-0-1 nebo 0-1-0)
- Slabý stav do opačného silného stavu (druhý přechod bitového vzoru 1-1-0 nebo 0-0-1)
Zdůrazněný signál se nikdy nepřepne ze slabého stavu do odpovídajícího silného stavu, slabého stavu do jiného slabého stavu nebo nezůstane ve stejném silném stavu pro více než jedno uživatelské rozhraní. Signál PAM má také normálně rozloženy úrovně, zatímco zdůrazněné úrovně jsou normálně blíže nominální úrovni signálu.
Vysokofrekvenční ztráta
Ztráta stop desek plošných spojů a kabelů se zvyšuje s frekvencí v důsledku dielektrických ztrát , což způsobuje, že se kanál chová jako dolní propust . Důsledkem je zkrácení doby náběhu/sestupu signálu. Pokud je datový tok dostatečně vysoký nebo je kanál dostatečně ztrátový, signál nemusí během rychlého přechodu 0-1-0 nebo 1-0-1 dosáhnout své plné hodnoty a stabilizovat se až po běhu několika identických bitů. To má za následek vertikální uzavření oka.
Na následujícím obrázku je signál NRZ 1,25 Gbit/s po průchodu ztrátovým kanálem - koaxiální kabel RG -188 o délce přibližně 3,65 metru. Tento kanál má ztrátu rostoucí poměrně lineárním způsobem od 0,1 dB při DC do 9 dB při 6 GHz.
Horní a spodní „kolejnice“ oka ukazují konečné napětí, kterého signál dosáhne po několika po sobě jdoucích bitech se stejnou hodnotou. Protože kanál má minimální ztrátu při DC, maximální amplituda signálu není do značné míry ovlivněna. Při pohledu na stoupající hranu signálu (vzor 0-1) vidíme, že signál se začíná vyrovnávat kolem -300 ps , ale po dobu UI nadále pomalu stoupá. Přibližně +300 ps signál buď začne znovu klesat (vzor 0-1-0), nebo pokračuje v pomalém stoupání (vzor 0-1-1).
Jak se zvyšují vysokofrekvenční ztráty, celkový tvar oka se postupně degraduje na sinusoidu (jakmile budou odstraněny vyšší harmonické frekvence dat, zbývá jen to základní) a klesá amplituda.
Nesoulad impedance
Pahýly, nesoulad impedance a další defekty v přenosovém vedení mohou způsobit odrazy viditelné jako defekty na okrajích signálu. Odrazy se zpožděním větším než jedno uživatelské rozhraní často činí oko kvůli ISI zcela nečitelným , nicméně ty s kratším zpožděním lze snadno vidět ve tvaru oka.
Na obrázku níže je v řadě zhruba 25,4 mm otevřený pahýl s otevřeným okruhem, což způsobuje počáteční efekt s nízkou impedancí (snížená amplituda), po kterém následuje pozitivní odraz od konce pahýlu se zpožděním asi 320 ps nebo 0,4 UI. To lze jasně vidět jako „krok“ na náběžné hraně, ve kterém signál stoupne na zlomek plné hodnoty, vyrovná se pro zpoždění zpátečky pahýlu a poté se zvýší na plnou hodnotu, když dorazí odraz.
Na obrázku níže jsou na konec stejného výběžku přidány další tři palce kabelu. Stejný „krok“ je přítomen, ale nyní je čtyřikrát delší a vytváří odrazy při přibližně 1280 ps nebo 1,6 UI. To produkuje extrémní ISI (protože odraz každého UI přichází během následujícího UI), který úplně zavírá oko.
Měření
Z očního diagramu lze získat mnoho měření:
Měření amplitudy
- Amplituda očí
- Amplituda křížení očí
- Procento křížení očí
- Výška očí
- Úroveň očí
- Poměr signálu k šumu oka
- Faktor kvality
- Svislé otevírání očí
Měření času
- Deterministický jitter
- Čas přechodu očí
- Oční zpoždění
- Doba pádu očí
- Doba náběhu očí
- Šířka očí
- Horizontální otevírání očí
- Kolísání od vrcholu k vrcholu
- Náhodné chvění
- RMS chvění
- Chvění CRC
- Totální chvění
Interpretace měření
| Funkce Eye-diagram | Co měří |
|---|---|
| Otevírání očí (výška, vrchol od vrcholu) | Aditivní šum v signálu |
| Přestřelení/podkus | zkreslení způsobené přerušením signálové cesty |
| Šířka očí | Synchronizace časování a efekty chvění |
| Zavírání očí | Intermsymbol interference, aditivní šum |
Viz také
Poznámky
Reference
- „Provozní příručka k aplikačnímu softwaru HP E4543A Q Factor and Eye Contours“ (PDF) . 1999.
- „Uživatelská příručka pro analýzu očních diagramů Agilent 71501D“ (PDF) .
externí odkazy
- Ruckerbauer, Hermann. „Narodí se oko“ . Poskytuje příklad videa z konstrukce očního vzoru
- Porozumění metodice diagramu datových očí pro analýzu vysokorychlostních digitálních signálů