Was ist ein Augendiagramm?

Es gibt viele Möglichkeiten, digitale Hochgeschwindigkeitskanäle zu charakterisieren. Dabei sollen bestimmte Signalintegritätsmetriken verifiziert werden, die die Kanalkonformität veranschaulichen. Dinge wie etwa S-Parameter und Widerstand sind nützlich. Es gibt aber noch eine weitere wichtige Messung, die mit einem digitalen Bitstream ausgewertet werden muss: das Augendiagramm.

Im Rahmen der Kanalkonformität stellt das Augendiagramm eine hilfreiche Messung bzw. Simulation dar. Die Messung zeigt dabei viele verschiedene Faktoren auf, die das Signalverhalten gleichzeitig beeinflussen können; sie ermöglicht letztlich damit die Qualifizierung von Fehlern und Verlusten in einem Kanal.

In diesem Artikel gehe ich auf einige der grundlegenden Messungen ein, die Sie manuell aus einem Augendiagramm extrahieren können. Ich zeige Ihnen auch auf, wie Sie damit Strategien zur Verbesserung von Kanaldesigns entwickeln können.

Was ist ein Augendiagramm?

Das Augendiagramm ist eine grundlegende Messung, die zur Qualifizierung von Kanaldesigns in digitalen Systemen dient. Dabei werden steigende und fallende Flanken eines Bitstroms in einer Zeitbereichsabtastkurve überlagert, wie z. B. mit einem Oszilloskop. Ein Signalintegritätssimulator kann dieselbe Art von Überlagerung der Signalpegel durchführen. Durch die Überlagerung der steigenden und fallenden Flanken ist es einfach, den Grad der Varianz im Signalverhalten zu visualisieren.

Varianzen, die zu Bitfehlerraten führen können, sind die Hauptgrößen, die aus dieser Messung ermittelt werden sollen. Mit überlagerten Signalleiterbahnen ist es möglich, Statistiken anhand verschiedener Punkte entlang der Zeitbereichsmessungen zu erstellen.

Das Bild unten zeigt ein Beispiel für ein Augendiagramm und ein Histogramm von Messungen, welche am niedrigen Signalpegel in der Leiterbahn vorgenommen wurden. Anhand dieses Histogramms können Sie die Daten an eine Normalverteilung anpassen, indem Sie die Standardabweichung der Stichprobe und den durchschnittlichen Signalpegel berechnen. Die resultierende Normalverteilung wird mit den unten aufgeführten Daten überlagert.

Was Sie einem Augendiagramm entnehmen können

Das Augendiagramm hilft Ihnen, eine Fülle von Informationen anhand einer einzigen Messung zu quantifizieren. Sie können folgende Informationen direkt aus einer Augendiagrammmessung extrahieren:

• Timing-Jitter: Die Schwankungen in der Anstiegs-/Abfallsequenz können Sie direkt im Augendiagramm sehen, wenn Sie die Signalübergänge beim Umschalten betrachten. Dies berücksichtigt sowohl zufälliges Rauschen als auch einen Zeitversatz in einem Differenzialpaar.
• Signalpegelvarianz: Sie können leicht erkennen, wie der Signalpegel variiert. Dies ist im Allgemeinen eine Funktion des Timing-Jitters und anderer zufälliger Störungen. Die Signalpegel können auch aufgrund von Impedanzfehlanpassungen variieren.
• Durchschnittliche Anstiegs-/Abfallzeit: Dies entspricht der Zeit zwischen der durchschnittlichen Signalpegelzeit von 90 % und 10 %. Sie hängt dabei sowohl mit dem Kanalverhalten als auch mit dem Rauschen im System zusammen. Wenn es starke Reflexionen, Rauschen oder ISI gibt, sind die Anstiegs-/Abfallzeiten möglicherweise nicht gleichmäßig und können Plateaus oder starke Schwankungen aufweisen.
• Durchschnittliche Symboldauer: Dies ist die Zeit zwischen den Mittelpunkten der aufeinander folgenden Signalübergänge.
• Bitfehlerrate (Bit Error Rate, BER): Durch den Vergleich von Logikschwellenwerten mit den erhaltenen Bits im Augendiagramm kann die Bitfehlerrate ermittelt werden. Dieser Wert hängt von mehreren Faktoren ab; ein wünschenswerter Wert kann jedoch 10–12 oder sogar weniger betragen. Techniken wie Entzerrung und Vorverzerrung sind zwei Möglichkeiten, um BER-Werte zu verringern. Dynamischer Rückkopplungsausgleich (Dynamic Feedback Equalization, DFE) wird beispielsweise für 400G mit PAM-4 verwendet.

Intersymbol-Interferenz

Der Zustand, in dem aufeinanderfolgende Signale aufgrund von Signalintegritätsproblemen miteinander interferieren, wird als Intersymbolinterferenz bezeichnet. Durch die Untersuchung von Intersymbolinterferenzen, die aus aufeinanderfolgenden Bits resultieren, ist es möglich, spezifische Probleme in einem digitalen Kanal zu identifizieren. Die ISI, welche Sie in einem Kanal vorfinden, ist dabei eine summative Metrik. Jason Ellison bietet in diesem Artikel dazu eine gute Übersicht und einen Vergleich mit Einfügeverlustabweichung.

Dies wirft eine umgekehrte Frage auf: Was wäre ein objektiv wünschenswertes Augendiagramm? Im Idealfall hätten Sie keine Signalverzerrung, keinen Jitter, keine Impulsausbreitung und kein Amplitudenrauschen. Mit anderen Worten: Die Ausgangssignale stimmen genau mit den Eingangssignalen überein. Die Fähigkeit, dies zu erkennen, macht Augendiagramme zu einem so grundlegenden Bestandteil der Signalintegrität!

So lesen Sie ein Augendiagramm

Das Augendiagramm, das Sie für einen Hochgeschwindigkeitskanal erstellen, veranschaulicht die Statistik zum einen der Signalübergänge zwischen verschiedenen Pegeln, zum anderen für Spannungen auf jedem Logikpegel. Damit erhalten Sie ein Maß für:

• das Rauschen, das am Empfänger durch Intersymbolinterferenzen erzeugt wird,
• den Crosstalk
• sowie das phänomenologische Rauschen, das dem Kanal hinzugefügt wird (Pegel-Jitter auf der E/A-Stromschiene des Treibers).

Die typische Metrik, die zum Lesen eines Augendiagramms verwendet wird, ist jedoch die Maske oder die Augenöffnung.

Die Augenöffnung widmet sich dabei vorrangig der Region im Inneren des Augendiagramms. Um die Augenöffnung sehen zu können, betrachten wir einmal gemeinsam das folgende Beispiel für einen PAM-4-Kanal mit 224 Gbit/s. Die Simulation zeigt ein Augendiagramm für einen pseudozufälligen Bitstream für einen ca. 700 mil langen Kanal zwischen einem Chip und seinem Steckverbindermodul; dies wurde mit Simberian berechnet.

Wenn der einzige Jitter, der vorhanden ist, von der Reflexion an einer perfekt abgeschlossenen Last bis zur erforderlichen Kanalbandbreite von 56 GHz kommt, ist zu beobachten, dass die Augenöffnung mit ~220 mV Abstand zwischen den Signalen sehr deutlich ist.

Wir können hier deutlich erkennen, dass die Augenöffnung entlang der Zeitachse zwischen etwa 44 % und 57 % des Einheitsintervalls (Unit Interval, UI) liegt. Dies veranschaulicht den Jitter, der am Empfänger nur durch eingehende Impulse entsteht, die mit reflektierten Impulsen interferieren. Der Jitterbereich in diesem Kanal beträgt etwa 1,16 ps, was nur auf die Überlagerung von Impulsen zurückzuführen ist.

Sobald zufälliger Jitter zum Kanal hinzugefügt wird, sehen wir eine gewisse Unschärfe des Augenmusters, da die Übergangspunkte auf der Zeit- und Spannungsachse zu variieren beginnen. Das folgende Ergebnis zeigt, was passiert, wenn nur 5 % zufälliger Jitter (Standardabweichung in UI) an den steigenden Flanken der in den Kanal eingespeisten Signale vorhanden ist.

Dieser Jitter mag zunächst gering erscheinen, aber bei einem UI-Wert von ~9 ps und einer UI-Anstiegszeit von 25 % reicht das schon aus, um die Pegelübergänge deutlich zu verschieben. Das Ergebnis ist, dass der vertikale Abstand zwischen den Ebenen und der horizontale Abstand zwischen den Kreuzungspunkten verringert wird.

Die Moral von der Geschicht': Jitter kann als eine Rauschquelle im Zeitbereich angesehen werden, die den Rauschpegel im Spannungsbereich erhöht; diese Änderung des Rauschpegels ist in einem Augendiagramm sichtbar. In einem anderen Artikel werde ich mich mit der Wechselwirkung zwischen zufälligem Jitter und Augenöffnung näher befassen. Hier können wir dann sehen, was eine akzeptable Grenze für zufälligen Jitter darstellt, der in einem Kanal noch toleriert werden kann.

Augendiagramme und BER messen und simulieren

Wie bereits erwähnt, können Augendiagramme entweder anhand eines Kanalmodells mit bekannten S-Parametern/Übertragungsfunktion und definierten Puffern, oder direkt anhand eines PCB-Layouts mit allen vorhandenen Störeinflüssen (Parasitics) simuliert werden.

Wenn Kanalmodelle bekannt sind, kann ein Augendiagramm anhand einer pseudozufälligen Bitfolge mit einer Faltungsoperation simuliert werden (siehe Blockdiagramm unten). Dieser Prozess kann in Matlab oder einem anderen mathematischen Skriptprogramm implementiert werden.

Bei der Arbeit mit einem Prototyp besteht das Ziel letztlich darin, anhand von Messungen die Konformität zu ermitteln und ein Kanalmodell zu extrahieren. Das Kanalmodell ist für weitere Designaufgaben sehr nützlich; beispielsweise wenn Sie einen Steckverbinder oder einen Via-Übergang hinzufügen möchten.

Um die Kanalkonformität zu ermitteln, muss auch die BER analysiert werden. Das kann aber ziemlich kompliziert sein, weshalb ich hier nicht alle Möglichkeiten dazu durchgehen werde. Darüber hinaus gibt es weitere Messwerte, die Sie aus Ihrem Augendiagramm extrahieren können. Sehen Sie sich dazu einmal diesen Support-Artikel von Keysight an; hier finden Sie Richtlinien zu weiteren Messungen.

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FAQs

Was zeigt ein Augendiagramm bei der Signalintegritätsanalyse?

Ein Augendiagramm überlagert mehrere aufeinanderfolgende Augenöffnungen, wodurch die Qualität eines digitalen Signals sichtbar wird. Ingenieure beurteilen damit verschiedene Arten von Jitter, das Timing-Verhalten bei jedem Signalübergang sowie Rauschen, Verzerrungen und Spannungsmargen in digitalen Hochgeschwindigkeits-Kommunikationssystemen. Je größer und „offener“ das Auge ist, desto besser sind in der Regel die Signalintegrität und die Datenzuverlässigkeit.

Wodurch schließt sich ein Augendiagramm?

Ein Augendiagramm kann sich aus verschiedenen Gründen schließen: durch Jitter, Rauschen, Impedanzsprünge, Übersprechen, Dämpfung oder einfach durch ein schlecht ausgelegtes PCB-Layout. Je kleiner die Augenöffnung ist, desto geringer sind die verfügbaren Timing- und Spannungsmargen. Das führt wiederum zu einer höheren Fehlerwahrscheinlichkeit in digitalen Hochgeschwindigkeitsschaltungen.

Kann das PCB-Layout die Qualität des Augendiagramms beeinflussen?

Ja, das Layout wirkt sich auf das gesamte Augendiagramm aus, da alle Faktoren der Signalintegrität – Impedanz, Routing der Differenzpaare, Vias, Rückleitungspfade und Leiterbahnlängen – vom Layout bestimmt werden. Ein schlechtes Layout führt häufig zu stärkeren Reflexionen, mehr Übersprechen und höherer EMI. Dadurch verringert sich die Augenöffnung, und das System wird weniger zuverlässig.

Warum sind Augendiagramme im Hochgeschwindigkeits-PCB-Design wichtig?

Augendiagramme ermöglichen Ingenieuren eine einfache Prüfung, ob eine Hochgeschwindigkeitsschnittstelle fehlerfrei arbeitet. An der sogenannten Augenöffnung lassen sich potenzielle Probleme erkennen, die durch das Layout oder die Leiterbahnführung entstehen können. Ebenso können Schwierigkeiten durch Terminierung, Vias, den Lagenaufbau oder elektromagnetische Interferenzen (EMI) sichtbar werden. Dies gilt für Schnittstellen wie PCI Express (PCIe), USB, DDR-SDRAM, Ethernet und SerDes-Kanäle.

Wie wirkt sich Jitter auf ein Augendiagramm aus?

Jitter verursacht zufällige Schwankungen im Timing des digitalen Signals, wodurch die horizontale Augenöffnung verringert wird. Je mehr Jitter im Signal vorhanden ist, desto weniger „Spielraum“ bleibt dem Empfänger, um die Logikübergänge korrekt zu decodieren. Nimmt der Jitter weiter zu, können sich die Signalflanken schließlich überlappen. In diesem Fall kann der Empfänger die Logikübergänge nicht mehr zuverlässig unterscheiden, sodass die Kommunikation scheitert – selbst wenn das Augendiagramm bei Spannung und Timing noch akzeptable Margen anzeigt.