¿Qué es un diagrama de ojo en el análisis de integridad de la señal?

Hay muchas formas de caracterizar los canales digitales de alta velocidad con el objetivo de verificar determinadas métricas de integridad de la señal que ilustren la conformidad del canal. Aspectos como los parámetros S o la impedancia son útiles, pero hay una medida importante que debe evaluarse con un flujo de bits digital: el diagrama de ojo.

El diagrama de ojo es una medición o simulación de gran utilidad como parte de la conformidad del canal. Esta medición muestra muchos factores diferentes que pueden afectar simultáneamente al comportamiento de la integridad de la señal, lo que permite, en última instancia, evaluar los errores y las pérdidas de un canal. En este artículo, repasaré algunas de las medidas fundamentales que se pueden extraer manualmente de un diagrama de ojo y cómo estas revelan algunas estrategias para mejorar el diseño de los canales.

Diagramas de ojo en el análisis de integridad de la señal

¿Qué es un diagrama de ojo?

Una de las mediciones fundamentales utilizadas para calificar los diseños de canales en sistemas digitales es un diagrama de ojo. Para ello, se superponen los flancos ascendentes y descendentes de un flujo de bits en una pista de muestra en el dominio del tiempo, por ejemplo, con un osciloscopio. Un simulador de integridad de la señal puede hacer el mismo tipo de superposición de niveles de señal. Al superponer los flancos ascendente y descendente, es fácil visualizar el nivel de variación en el comportamiento de la señal proporcionando así un diagrama de ojo en el análisis de la integridad de la señal.

Las desviaciones que pueden dar lugar a tasas de error binario son las principales magnitudes que deben determinarse a partir de esta medición. Con las pistas de señal superpuestas, es posible tomar datos estadísticos en varios puntos a lo largo de las mediciones en función del tiempo. La imagen siguiente muestra un ejemplo de diagrama de ojo y un histograma de medidas tomadas del nivel de señal BAJO en las pistas. A partir de este histograma, podrías ajustar los datos a una distribución normal mediante cálculos de la desviación estándar de la muestra y del nivel medio de la señal. La distribución normal resultante se superpone a los datos que aparecen más abajo.

Lo que se puede aprender de un diagrama de ojo

El diagrama de ojo te ayuda a cuantificar una gran cantidad de información a partir de una sola medición. Puedes extraer la siguiente información directamente de una medición de diagrama de ojo:

• Fluctuación temporal: La variación en el inicio de una subida o bajada se puede ver directamente en un diagrama de ojo observando los cruces de señal durante la conmutación. Esto tendría en cuenta tanto el ruido aleatorio como la desviación temporal en un par diferencial.
• Variación del nivel de señal: Podrás ver fácilmente cómo varía el nivel de señal. En general, se trata de alguna función de la fluctuación de sincronización más algún otro ruido aleatorio. Los niveles de señal también pueden variar en función de los desajustes de la impedancia.
• Tiempo medio de subida/bajada: Es igual al tiempo entre el tiempo medio de nivel de señal del 90 % y el tiempo medio de nivel de señal del 10 %. Está relacionado tanto con la respuesta del canal como con el ruido del sistema. Si hay una fuerte reflexión, ruido o ISI, los tiempos de subida o bajada pueden no ser suaves y presentar mesetas o fuertes variaciones.
• Duración media del símbolo: Es el tiempo entre los puntos medios de cruces de señal consecutivos.
• Tasa de error binario (BER): Al comparar los umbrales lógicos con los bits recibidos en el diagrama de ojo, es posible determinar una tasa de error binario. Este valor dependerá de varios factores, pero lo deseable puede ser un valor de 10-12 o incluso menos. Técnicas como la ecualización o el énfasis previo son dos formas de disminuir los valores de BER. Por ejemplo, la ecualización de retroalimentación dinámica (DFE, del inglés "Dynamic Feedback Equalization") se utiliza para 400G con PAM-4.

Interferencia entre símbolos en un diagrama de ojo

Se conoce como interferencia entre símbolos a la situación en la que señales sucesivas interfieren entre sí debido a problemas de integridad de la señal. Al examinar la interferencia entre símbolos resultante de bits sucesivos, es posible identificar problemas concretos en un canal digital. La ISI que puedes detectar en un canal es una métrica aditiva, Jason Ellison ofrece una buena visión general y una comparación con la desviación de la pérdida de inserción en este artículo.

Esto pone sobre la mesa la pregunta inversa: ¿cómo sería un diagrama de ojo objetivamente deseable? Idealmente, el diagrama de ojo tendría cero distorsión de señal, cero fluctuaciones, cero dispersión de pulso y cero ruido de amplitud. En otras palabras, las señales de salida coincidirían exactamente con las señales de entrada. ¡La capacidad de detectar estos aspectos es lo que hace que los diagramas de ojo sean una parte fundamental de la integridad de la señal!

Cómo interpretar un diagrama de ojo

El diagrama de ojo que generes para un canal de alta velocidad ilustrará las estadísticas de las transiciones de señal entre los distintos niveles, así como las estadísticas de las tensiones en cada nivel lógico. Esto te proporciona una medida del ruido que existe en el receptor debido a la interferencia entre símbolos, la diafonía o cualquier otro ruido fenomenológico añadido al canal (fluctuación de nivel en el riel de alimentación de E/S del controlador). Sin embargo, el indicador típico utilizado para leer un diagrama de ojo es su máscara, o abertura del ojo.

La abertura del ojo considera la región del interior del diagrama de ojo. En el siguiente ejemplo podemos observar la abertura del ojo para un canal PAM-4 de 224 Gbps. La siguiente simulación muestra un diagrama de ojo de un flujo de bits pseudoaleatorio para un canal de unos 700 mils de longitud entre un chip y su módulo conector. El cálculo se hizo con Simberian. Cuando la única fluctuación presente proviene de la reflexión con una carga perfectamente terminada hasta el ancho de banda del canal de 56 GHz requerido, vemos que la abertura del ojo es muy clara, con una separación de ~220 mV entre señales.

En esta interpretación del diagrama de ojo, podemos ver claramente que la abertura del ojo a lo largo del eje temporal oscila entre el 44 % y el 57 % del intervalo de unidad. Esto ilustra la cantidad de fluctuación que se observa en el receptor debida únicamente a los pulsos entrantes que interfieren con los reflejados. El intervalo de fluctuación en este canal es de aproximadamente 1,16 ps de variación solo debido a la superposición de los pulsos.

Una vez añadida la fluctuación aleatoria al canal, observamos cierta difuminación del patrón del ojo, ya que los puntos de cruce empiezan a variar en el eje temporal y en el de tensión. El resultado siguiente muestra lo que ocurre cuando solo se produce un 5 % de fluctuación aleatoria (desviación estándar por intervalo de unidad) en los flancos ascendentes de las señales que se introducen en el canal. Este nivel de fluctuación puede parecer pequeño, pero teniendo en cuenta que el valor del intervalo de unidad es de ~9 ps y el tiempo de subida del intervalo de unidad es de un 25 %, es suficiente para desplazar los cruces de nivel de forma significativa. El resultado es una reducción en la distancia vertical entre niveles y en la distancia horizontal entre puntos de cruce.

La moraleja es que la fluctuación puede verse como una fuente de ruido en el eje temporal que hace aumentar el nivel de ruido en el eje de tensión, y este cambio en el nivel de ruido puede apreciarse en un diagrama de ojo. En otro artículo, examinaré la interacción entre la abertura del ojo de la fluctuación aleatoria a fin de que esta pueda tener un límite aceptable, tolerable en un canal.

Medición y simulación de diagramas de ojo y BER

Como he dicho antes, los diagramas de ojo se pueden simular, bien a partir de un modelo de canal con parámetros S o con una función de transferencia conocidos y búferes definidos, o directamente a partir de un diseño de PCB con todos los elementos parásitos presentes. Si se conocen los modelos de canal, se puede simular un diagrama de ojo a partir de una secuencia de bits pseudoaleatoria con una operación de convolución (ver el diagrama de bloques más abajo). Este proceso podría implementarse en Matlab o en otro programa de secuencias de comandos matemáticos.

Al trabajar con un prototipo, el objetivo final es determinar la conformidad y extraer un modelo de canal de las mediciones. El modelo de canal te será muy útil para otras tareas de diseño, como, por ejemplo, si tuvieras que añadir un conector o una transición de vía. Determinar la conformidad del canal también requerirá analizar la BER, lo que puede ser bastante complicado, por lo que no abordaré aquí todas las opciones. Además, hay otras mediciones que puedes extraer de tu diagrama de ojo. 

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