Was ist ein Augendiagramm?

Zachariah Peterson
|  Erstellt: September 1, 2022  |  Aktualisiert am: February 22, 2023
Augendiagramm

Es gibt viele Möglichkeiten, digitale Hochgeschwindigkeitskanäle zu charakterisieren. Dabei besteht das Ziel darin, bestimmte Signalintegritätsmetriken zu verifizieren, 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.

Augendiagramme in der Signalintegritätsanalyse

Was ist ein Augendiagramm?

Eine der grundlegenden Messungen, die zur Qualifizierung von Kanaldesigns in digitalen Systemen verwendet werden, ist das Augendiagramm. 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.

Signalintegritätsanalyse mit Augendiagrammen
Das hier dargestellte Augendiagramm (links) wurde verwendet, um Statistiken für den Nullpegel (rechts) zu erfassen. Dieses Bild wurde auf Grundlage des Augendiagramms in Jason Ellisons Artikel zu COM erstellt.

Was Sie aus einem Augendiagramm entnehmen können

Dieses Diagramm 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 in einem 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 der durchschnittlichen Signalpegelzeit von 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.

Augendiagramm 224 Gbit/s PAM-4
224 Gbit/s PAM-4-Augendiagramm für einen kurzen Channel.

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.

Augendiagramm 224 Gbit/s PAM-4 Jitter

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.

Messen und Simulieren von Augendiagrammen und BER

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.

Augendiagramm-Simulation
Augendiagramm-Simulationsprozess.

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. Weitere Informationen zur Analyse von Augendiagrammen finden Sie in diesem Artikel von Tektronix. 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.

Wenn Sie Komponenten platzieren, Übertragungsleitungen routen und auf leistungsstarke Simulatoren für Ihr digitales System zugreifen müssen, nutzen Sie einfach den kompletten Satz an PCB-Design-Tools in Altium Designer®. Sie haben Ihr Design fertiggestellt und wollen die Dateien für Ihren Hersteller freigeben? Dies können Sie ganz einfach mittels der Altium-365™-Plattform tun. Die Plattform ermöglicht es Ihnen effizient über Teams hinweg zusammenzuarbeiten und Ihre Projekte auch mit Dritten zu teilen.

Wir haben nur an der Oberfläche dessen gekratzt, was mit Altium Designer auf Altium 365 möglich ist. Starten Sie noch heute Ihre kostenlose Testversion von Altium Designer und Altium 365.

Über den Autor / über die Autorin

Über den Autor / über die Autorin

Zachariah Peterson verfügt über einen umfassenden technischen Hintergrund in Wissenschaft und Industrie. Vor seiner Tätigkeit in der Leiterplattenindustrie unterrichtete er an der Portland State University. Er leitete seinen Physik M.S. Forschung zu chemisorptiven Gassensoren und sein Ph.D. Forschung zu Theorie und Stabilität von Zufallslasern. Sein Hintergrund in der wissenschaftlichen Forschung umfasst Themen wie Nanopartikellaser, elektronische und optoelektronische Halbleiterbauelemente, Umweltsysteme und Finanzanalysen. Seine Arbeiten wurden in mehreren Fachzeitschriften und Konferenzberichten veröffentlicht und er hat Hunderte von technischen Blogs zum Thema PCB-Design für eine Reihe von Unternehmen verfasst. Zachariah arbeitet mit anderen Unternehmen der Leiterplattenindustrie zusammen und bietet Design- und Forschungsdienstleistungen an. Er ist Mitglied der IEEE Photonics Society und der American Physical Society.

Ähnliche Resourcen

Verwandte technische Dokumentation

Zur Startseite
Thank you, you are now subscribed to updates.