Qu'est-ce que le diagramme de l'œil dans la conception haute vitesse 

Il existe de nombreuses façons de caractériser les canaux numériques à haute vitesse, l'objectif étant de vérifier des mesures spécifiques d'intégrité du signal qui illustreront la conformité du canal.

Des éléments tels que les paramètres S et l'impédance sont utiles, mais une mesure s'avère encore plus importante dans le cas d'un flux binaire numérique : le diagramme de l'œil.

Le diagramme de l'œil est une mesure, ou simulation, précieuse utilisée pour contrôler la conformité d'un canal.

Il permet de mesurer un grand nombre de facteurs susceptibles d'affecter simultanément le comportement d'un signal, et met ainsi en évidence les erreurs et pertes au niveau d'un canal.

Dans cet article, je vais passer en revue certaines des mesures clés qui peuvent être réalisées sur un diagramme de l'œil, ainsi que les stratégies qui peuvent en être déduites pour améliorer la conception de vos canaux.

Analyse de l'intégrité du signal avec un diagramme de l'œil

Qu'est-ce qu'un diagramme de l'œil dans la conception haute vitesse ?

Le diagramme de l'œil est l'une des mesures fondamentales utilisées pour valider la conception d'un canal dans un système numérique. Il consiste à superposer les fronts montants et descendants d'un flux binaire pour un échantillon temporel, par exemple à l'aide d'un oscilloscope. Un simulateur d'intégrité du signal peut réaliser ce même type de superposition des niveaux de signaux.

Superposer les fronts montants et descendants d'un signal permet de visualiser facilement le niveau de déviation dans son comportement.

Les perturbations qui peuvent conduire à des taux d'erreur sont les principales valeurs à déterminer à partir de ce diagramme. La superposition des pistes de signaux permet de prendre des mesures à différents points le long des échantillons temporels.

L'image ci-dessous montre un exemple de diagramme de l'œil ainsi qu'un histogramme de mesures prises à un niveau de signal bas sur la piste. À partir de cet histogramme, on pourra adapter ces données à une distribution normale à l'aide des calculs de l'écart type de l'échantillon et du niveau moyen du signal. La distribution normale résultante est superposée aux données ci-dessous.

Que peut-on apprendre d'un diagramme de l'œil ?

Ce diagramme vous permet de quantifier une multitude d'informations à partir d'une seule mesure. Vous pouvez extraire les informations suivantes directement à partir de la mesure d'un diagramme de l'œil :

• Gigue de phase : la variation du temps de montée/descente peut être visualisée directement sur le diagramme de l'œil en examinant les croisements des signaux pendant la commutation. Cette mesure tient compte à la fois du bruit aléatoire et du décalage temporel sur une paire différentielle.
• Variation du niveau du signal : il est également possible de visualiser la manière dont le niveau du signal varie. Cette mesure dépend généralement de la gigue de phase et des autres bruits aléatoires. Les niveaux de signal peuvent également varier en fonction des différences d'impédance.
• Temps de montée/descente moyen : cette valeur correspond au temps moyen que met le signal pour passer d'un niveau de 10% à un niveau de 90%. Ce temps dépend à la fois de la réponse du canal et du bruit dans le système. En cas de réflexion, de bruit ou d'interférence inter symbole importante, les temps de montée et de descente peuvent ne pas être lisses et présenter des plateaux ou une forte variance.
• Durée moyenne des symboles : il s'agit de la durée entre les points médians des croisements de signaux consécutifs.
• Taux d'erreur (BER) : en comparant les seuils logiques aux bits reçus sur le diagramme de l'œil, il est possible de déterminer le taux d'erreur d'un signal. Cette valeur dépend de plusieurs facteurs, mais une valeur souhaitable peut être aussi faible que 10-12, voire inférieure. Les techniques telles que l'égalisation et la préaccentuation sont deux façons de réduire les valeurs BER. L'égalisation dynamique à rétroaction (DFE) est ainsi utilisée pour 400G avec PAM-4.

Interférence inter-symbole

L'interférence inter symbole désigne le phénomène d'interférence entre des signaux successifs lié aux problèmes d'intégrité du signal.

En examinant les interférences inter symboles résultant de bits successifs, il est possible d'identifier des problèmes spécifiques sur un canal numérique. L'interférence inter symbole identifiée sur un canal est un indicateur global. Jason Ellison fournit un bon aperçu et une comparaison pertinente avec l'écart de perte d'insertion dans cet article.

Cela nous amène à considérer un autre angle d'approche : qu'est-ce qui constituerait un diagramme de l'œil objectivement souhaitable ? Idéalement, nous aurions zéro distorsion du signal, zéro gigue, zéro propagation d'impulsions et zéro bruit d'amplitude.

En d'autres termes, les signaux de sortie correspondraient exactement aux signaux d'entrée. C'est précisément ce que nous permettent d'observer les diagrammes de l'œil et la raison pour laquelle ils sont si précieux pour garantir l'intégrité du signal !

Comment lire un diagramme de l'œil ?

Le diagramme de l'œil d'un canal à haute vitesse met en évidence les statistiques des transitions de signaux entre différents niveaux ainsi que les statistiques de tensions à chaque niveau logique.

On obtient ainsi une indication du bruit qui existe au niveau du récepteur à cause de l'interférence inter symbole, de la diaphonie et de tout bruit phénoménologique ajouté au canal (gigue de niveau sur le rail d'alimentation E/S du conducteur). Toutefois, la mesure la plus utilisée pour lire un tel diagramme est son masque, ou l'ouverture de l'œil.

L'ouverture de l'œil désigne l'espace à l’intérieur du diagramme de l'œil. Prenons l'exemple suivant portant sur un canal PAM-4 de 224 Gbit/s. La simulation ci-dessous présente le diagramme de l'œil d'un flux binaire pseudo-aléatoire pour un canal d'environ 700 mil de long entre une puce et son module connecteur.

Elle a été générée avec Simberian. Lorsque la seule gigue présente provient de la réflexion sur une charge parfaitement terminée jusqu'à la largeur de bande de canal requise de 56 GHz, nous pouvons observer clairement l'ouverture de l'œil, avec une séparation d'environ 220 mV entre les signaux.

On voit clairement que l'ouverture de l'œil le long de l'axe temporel varie d'environ 44% à 57% de l'intervalle d'unité (UI).

Ceci illustre la quantité de gigue observée au niveau du récepteur uniquement en raison des impulsions entrantes qui interfèrent avec les impulsions réfléchies. La portée de la gigue sur ce canal est d'environ 1,16 ps, uniquement en raison de la superposition des impulsions.

Une fois la gigue aléatoire ajoutée au canal, le motif d'œil se floute, car les points de croisement commencent à varier sur les axes de temps et de tension.

Le résultat ci-dessous illustre ce qui se passe avec 5% de gigue aléatoire seulement (écart standard de l'UI) sur les fronts montants des signaux envoyés dans le canal. Ce niveau de gigue peut sembler faible, mais étant donné la valeur de l'UI (environ 9 ps) et son temps de montée (25%), cela suffit déjà à déplacer de manière significative les croisements de niveau. Par conséquent, l'ouverture verticale entre les niveaux et l'ouverture horizontale entre les points de croisement sont réduites.

La morale de l'histoire est la suivante : la gigue peut être considérée comme une source de bruit dans le domaine temporel, qui va aussi se traduire par une hausse du niveau de bruit dans le domaine de la tension, et ce changement peut être observé sur un diagramme de l'œil. 

Dans un autre article, j'examinerai l'interaction entre l'ouverture de l'œil et la gigue aléatoire afin d'illustrer une limite acceptable de gigue aléatoire sur un canal.

Diagramme de l'œil et BER : mesure et simulation

Comme je l'ai mentionné précédemment, les diagrammes de l'œil peuvent être simulés, soit à partir d'un modèle de canal avec des paramètres S/une fonction de transfert connus et des tampons définis, soit directement à partir d'un routage de circuit imprimé avec tous les parasites présents.

Si les modèles de canaux sont connus, le diagramme de l'œil peut être simulé à partir d'une séquence binaire pseudo-aléatoire avec une opération de convolution (voir le schéma fonctionnel ci-dessous). Ce processus peut être mis en œuvre à l'aide de Matlab ou dans un autre programme de script mathématique.

Lorsque vous travaillez sur un prototype, l'objectif final est d'en déterminer la conformité et d'extraire un modèle de canal des mesures. Ce modèle de canal vous sera d'une aide précieuse pour d'autres tâches de conception, comme l'ajout d'un connecteur ou d'une transition de via.

Pour déterminer la conformité du canal, il faudra aussi analyser le taux d'erreur, ce qui peut être assez complexe, et je ne vais pas pouvoir aborder tous les détails ici. Pour en savoir plus sur l'analyse des diagrammes de l'œil, consultez cet article Tektronix.

D'autres mesures peuvent être extraites d'un diagramme de l'œil. Jetez un coup d'œil à cet article ressource de Keysight pour obtenir des précisions.

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