Che cos'è un diagramma ad occhio (eye diagram)?

Ci sono molti modi per caratterizzare i canali digitali ad alta velocità, con l'obiettivo di verificare metriche specifiche di integrità del segnale che illustrino la conformità del canale. Le informazioni come i parametri S e l'impedenza sono sicuramente utili, ma c'è una misura importante da valutare con un flusso di bit digitale: il diagramma ad occhio anche noto come eye diagram o eye pattern.

L'eye diagram è una misurazione o simulazione utile nell'ambito della conformità del canale. La misurazione mostra molti fattori diversi che possono influenzare il comportamento del segnale contemporaneamente, consentendo in ultima analisi la qualificazione di errori e perdite in un canale. In questo articolo ti illustrerò alcune misure fondamentali che è possibile estrarre manualmente da un diagramma ad occhio e come queste rivelano alcune strategie per migliorare la progettazione dei canali.

Eye diagram nell'analisi dell'integrità del segnale

Che cos'è un diagramma ad occhio?

Una delle misure fondamentali utilizzate per qualificare la progettazione dei canali nei sistemi digitali è un diagramma ad occhio, che comporta la sovrapposizione dei bordi ascendenti e discendenti di un flusso di bit in una traccia di campionamento in un dominio temporale, ad esempio con un oscilloscopio. Un simulatore di integrità del segnale può eseguire lo stesso tipo di sovrapposizione dei livelli di segnale. Sovrapponendo i bordi di risalita e discesa, è facile visualizzare il livello di varianza nel comportamento del segnale.

Le principali quantità da determinare con questa misurazione sono le varianze che possono portare a tassi di errore di bit. Con le tracce del segnale sovrapposte, è possibile ricavare statistiche in vari punti lungo le misurazioni in un dominio temporale. L'immagine seguente mostra un esempio di eye pattern e un istogramma di misure prese dal livello di segnale LOW nella traccia. Da questo istogramma è possibile adattare i dati a una distribuzione normale utilizzando i calcoli della deviazione standard di campionamento e del livello di segnale medio. La distribuzione normale risultante è sovrapposta ai dati seguenti.

Cosa puoi imparare da un diagramma ad occhio

Questo diagramma ci aiuta a quantificare una grande quantità di informazioni da un'unica misurazione. Misurando l'eye diagram possiamo estrarre direttamente le informazioni seguenti:

• Jitter di temporizzazione: la variazione nell'avvio di risalita/discesa può essere vista direttamente da un diagramma ad occhio quando si osservano gli incroci del segnale durante la commutazione. Il valore tiene conto sia del rumore casuale che della distorsione temporale in una coppia differenziale.
• Varianza a livello di segnale: sarai in grado di vedere facilmente come varia il livello del segnale. Questa è, in generale, una funzione del jitter di temporizzazione più altri rumori casuali. I livelli del segnale possono variare anche in base alle mancate corrispondenze dell'impedenza.
• Tempo medio di risalita/discesa: è uguale al tempo che intercorre tra il tempo medio del livello segnale 90% e il tempo medio del livello segnale 10%. È correlato sia alla risposta del canale che al rumore nel sistema. In presenza di riflessione, rumore o ISI significativi, i tempi di risalita/discesa potrebbero non essere uniformi e presentare dei plateau o una forte varianza.
• Durata media dei simboli: questo è il tempo che intercorre tra i punti medi degli incroci consecutivi del segnale.
• Bit Error Rate (BER): confrontando le soglie logiche con i bit ricevuti nel diagramma ad occhio, è possibile determinare il tasso di errore di bit. Questo valore dipende da diversi fattori, ma in generale dovrebbe mantenersi pari o inferiore a 10-12. Tecniche come l'equalizzazione e l'enfasi preventiva sono due modi per ridurre i valori BER. Ad esempio, l'equalizzazione dinamica del feedback (DFE) viene utilizzata per 400G con PAM-4.

Interferenza intersimbolica

La condizione in cui i segnali successivi interferiscono l'uno con l'altro a causa di problemi di integrità del segnale è l'interferenza intersimbolica. Esaminando le interferenze intersimboliche derivanti da bit successivi, è possibile identificare problemi specifici in un canale digitale. L'ISI presente in un canale è una metrica sommatoria: Jason Ellison fornisce una buona panoramica e un confronto con la deviazione della perdita di inserzione in questo articolo.

A questo punto sorge una domanda opposta: cosa costituirebbe un eye diagram oggettivamente desiderabile? Idealmente, dovremmo avere zero distorsione del segnale, zero jitter, zero diffusione dell'impulso e zero rumore di ampiezza. In altre parole, i segnali di uscita dovrebbero corrispondere esattamente ai segnali di ingresso. È la capacità di vedere tutto questo è ciò che rende i diagrammi ad occhio una parte così fondamentale dell'integrità del segnale.

Come leggere un eye diagram

L'eye diagram generato per un canale ad alta velocità illustra le statistiche delle transizioni di segnale tra diversi livelli e le statistiche delle tensioni a ciascun livello logico. Ciò fornisce una misura del rumore esistente sul ricevitore a causa dell'interferenza intersimbolica, della diafonia e di qualsiasi rumore fenomenologico aggiunto al canale (jitter di livello sui binari di alimentazione I/O del driver). Tuttavia, la metrica tipica utilizzata per leggere un diagramma ad occhio è la sua maschera, o apertura dell'occhio.

L'apertura dell'occhio guarda la regione all'interno del diagramma. Per vedere l'apertura dell'occhio, possiamo guardare il seguente esempio per un canale PAM-4 da 224 Gbps. La simulazione seguente mostra un diagramma ad occhio di un flusso di bit pseudocasuale per un canale lungo ~700 mil tra un chip e il suo modulo connettore, calcolato con Simberian. Quando l'unico jitter presente proviene dalla riflessione su un carico perfettamente terminato fino alla larghezza di banda del canale richiesta, a 56 GHz, l'apertura dell'occhio è molto chiara, con una separazione di ~ 220 mV tra i segnali.

Possiamo vedere chiaramente che l'apertura dell'occhio lungo l'asse temporale varia da circa il 44% al 57% dell'intervallo di unità (UI).Questo ci fa capire che la quantità di jitter osservata al ricevitore è solo a causa degli impulsi in ingresso che interferiscono con gli impulsi riflessi. L'intervallo del jitter in questo canale è di circa 1,16 ps di variazione solo a causa della sovrapposizione degli impulsi.

Una volta aggiunto un jitter casuale al canale, si nota una certa sfocatura del modello dell'occhio quando i punti di incrocio iniziano a variare sugli assi del tempo e della tensione. Il risultato seguente mostra cosa succede quando sussiste solo il 5% di jitter casuale (deviazione standard in UI) sui fronti di risalita dei segnali inviati nel canale. Questo livello di jitter può sembrare piccolo, ma dato il valore di UI di ~9 ps e il tempo di risalita dell'UI del 25%, è sufficiente per spostare i passaggi di livello in modo significativo. Il risultato è una distanza verticale tra i livelli e una distanza orizzontale ridotta tra i punti di intersezione.

Morale della favola: il jitter può essere visto come una fonte di rumore nel dominio temporale che aumenta il livello di rumore nel dominio della tensione e questo cambiamento nel livello di rumore può essere rilevato in un diagramma ad occhio. In un altro articolo analizzerò l'interazione tra il jitter casuale e l'apertura dell'occhio, in modo da individuare un limite accettabile per il jitter casuale che può essere tollerato in un canale.

Misurazione e simulazione di diagrammi ad occhio e BER

Come accennato in precedenza, i diagrammi a occhio possono essere simulati, sia da un modello di canale con parametri S / funzione di trasferimento noti e buffer definiti, o direttamente da un layout PCB con tutti i parassiti presenti. Se i modelli di canale sono noti, è possibile simulare un diagramma ad occhio da una sequenza di bit pseudocasuale con un'operazione di convoluzione (vedi il diagramma a blocchi di seguito). Questo processo potrebbe essere implementato in Matlab o in un altro programma di scripting matematico.

Quando si lavora con un prototipo, l'obiettivo ultimo è determinare la conformità ed estrarre un modello di canale dalle misurazioni. Il modello di canale sarà molto utile per ulteriori attività di progettazione, ad esempio se dovessi aggiungere un connettore o una transizione tramite via. Per determinare la conformità del canale è necessario anche analizzare il BER, un'operazione che può essere piuttosto complessa e che non intendo ripercorrere in questa sede.

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