Czym jest wykres oczkowy?

Istnieje wiele sposobów opisywania szybkich kanałów cyfrowych, a ich celem jest weryfikacja określonych wskaźników integralności sygnału, które ilustrują zgodność kanałów. Takie wskaźniki jak parametry S i impedancja są przydatne, ale jest jeden ważny pomiar, który należy ocenić za pomocą cyfrowego strumienia bitów: wykres oczkowy.

Wykres oczkowy jest użytecznym pomiarem lub symulacją jako element zgodności kanału. Pomiar obrazuje wiele różnych czynników, które mogą wpływać na zachowanie sygnału jednocześnie, co w konsekwencji umożliwia kwalifikację błędów i strat w kanale. W tym artykule omówię niektóre z podstawowych pomiarów, które można ręcznie wyodrębnić z wykresu oczkowego, i sposób, w jaki pozwalają one określić niektóre strategie ulepszania projektów kanałów.

Wykresy oczkowe w analizie integralności sygnału

Czym jest wykres oczkowy?

Jednym z podstawowych pomiarów wykorzystywanych do kwalifikacji projektów kanałów w systemach cyfrowych jest wykres oczkowy. Wiąże się on z nałożeniem narastających i opadających krawędzi strumienia bitów na ślad próbkowania w dziedzinie czasu za pomocą oscyloskopu. Symulator integralności sygnału może wykonywać ten sam rodzaj nałożenia poziomów sygnału. Nakładając na siebie narastające i opadające krawędzie, można łatwo zwizualizować poziom zmienności w zachowaniu sygnału.

Wariancje, które mogą prowadzić do bitowych stóp błędów, są głównymi wielkościami, które należy określić na podstawie tego pomiaru. Dzięki nałożonym na siebie śladom sygnału możliwe jest wykonywanie statystyk w różnych punktach pomiarów w dziedzinie czasu. Poniższy obraz przedstawia przykładowy wykres oczkowy i histogram pomiarów wykonanych z poziomu sygnału LOW na ścieżce. Na podstawie tego histogramu można dopasować dane do rozkładu normalnego, korzystając z obliczeń odchylenia standardowego próbki i średniego poziomu sygnału. Wynikowy rozkład normalny został nałożony na poniższe dane.

Czego można dowiedzieć się z wykresu oczkowego

Ten wykres pomoże określić ilościowo wiele informacji na podstawie pojedynczego pomiaru. Można wyodrębnić następujące informacje bezpośrednio z pomiaru wykresu oczkowego:

• Jitter czasowy: zmienność inicjacji wznoszenia/opadania jest widoczna bezpośrednio na wykresie oczkowym, gdy patrzymy na przejścia sygnału podczas przełączania. Uwzględniałoby to zarówno losowy szum, jak i przekrzywienie czasowe w parze różnicowej.
• Zmienność poziomu sygnału: można łatwo sprawdzić, jak zmienia się poziom sygnału. Ogólnie rzecz biorąc, jest to funkcja jittera taktowania oraz innych losowych szumów. Poziomy sygnału mogą się również różnić w zależności od niedopasowania impedancji.
• Średni czas narastania/opadania: wskaźnik ten jest równy czasowi między średnim czasem poziomu sygnału 90% a średnim czasem poziomu sygnału 10%. Jest to związane zarówno z reakcją kanału, jak i szumem w systemie. Jeśli występuje silne odbicie, szum lub ISI, czasy narastania/opadania mogą nie być płynne i mogą wykazywać plateau lub dużą zmienność.
• Średni czas trwania symbolu: jest to czas pomiędzy punktami środkowymi kolejnych przejść sygnału.
• Bitowa stopa błędów (BER): porównanie progów logicznych z odebranymi bitami na wykresie oczkowym pozwala określić bitową stopę błędów. Wartość ta będzie zależeć od kilku czynników, ale pożądana wartość może być nawet tak mała jak 10–12 lub jeszcze niższa. Techniki takie jak wyrównanie i wstępne podkreślenie to dwa sposoby obniżania wartości BER. Na przykład dynamiczne wyrównywanie sprzężenia zwrotnego (DFE) jest używane w przypadku 400G z PAM-4.

Zakłócenia międzysymbolowe

Warunkiem, w którym kolejne sygnały zakłócają się nawzajem z powodu problemów z integralnością sygnału, jest interferencja międzysymbolowa (ISI). Badanie interferencji międzysymbolowej wynikającej z kolejnych bitów pozwala zidentyfikować konkretne problemy pojawiające się w kanale cyfrowym. Wartość ISI, którą można znaleźć w kanale, jest metryką sumującą. W tym artykule Jason Ellison omawia związane z tym problemy i przedstawia porównanie z odchyleniem straty wtrąceniowej.

Rodzi to pytanie odwrotne: co stanowiłoby obiektywnie pożądany wykres oczkowy? Idealna sytuacja występowałaby wtedy, gdyby były zerowe zniekształcenia sygnału, zerowy jitter, zerowy rozrzut impulsów i szum o zerowej amplitudzie. Innymi słowy, w takiej sytuacji sygnały wyjściowe dokładnie odpowiadałaby sygnałom wejściowym. Zdolność do dostrzeżenia tego sprawia, że wykresy oczkowe są tak fundamentalną częścią integralności sygnału.

Jak czytać wykres oczkowy

Wykres oczkowy, który zostanie wygenerowany dla szybkiego kanału, ilustruje statystyki przejść sygnału między różnymi poziomami oraz statystyki napięć na każdym poziomie logicznym. Daje to obraz poziomu szumu, który występuje w odbiorniku z powodu interferencji międzysymbolowej, przesłuchów i wszelkich szumów fenomenologicznych dodanych do kanału (poziom jittera na szynie zasilania we/wy sterownika). Jednak typową miarą używaną do odczytu wykresu oczkowego jest jego maska lub otwór oka.

Otwór oka wskazuje obszar we wnętrzu wykresu oczkowego. Aby zobaczyć otwór oka, możemy spojrzeć na następujący przykład dotyczący kanału PAM-4 224 Gb/s. Poniższa symulacja pokazuje wykres oczkowy pseudolosowego strumienia bitów dla kanału o długości ok. 700 mil między chipem a jego modułem złącza. Zostało to obliczone przy użyciu systemu dostarczonego przez firmę Simberian. Kiedy jedyny obecny jitter pochodzi z odbicia przy idealnie zakończonym obciążeniu do wymaganej szerokości pasma kanału 56 GHz, widzimy, że otwór oka jest bardzo wyraźny z separacją wynoszącą ok. 220 mV między sygnałami.

Widać tutaj wyraźnie, że otwór oka na osi czasu waha się od około 44% do 57% przedziału jednostkowego (UI). Obrazuje to liczbę zakłóceń obserwowanych w odbiorniku tylko z powodu przychodzących impulsów zakłócających impulsy odbite. Zakres jittera w tym kanale wynosi około 1,16 ps zmienności tylko z powodu superpozycji impulsów.

Po dodaniu losowego jittera do kanału widzimy pewne rozmycie wzoru oka, ponieważ punkty przecięcia zaczynają się zmieniać na osiach czasu i napięcia. Poniższy wynik pokazuje, co się dzieje, gdy tylko 5% losowego jittera (standardowe odchylenie w UI) występuje na narastających zboczach sygnałów wprowadzanych do kanału. Ten poziom jittera może wydawać się niewielki, ale biorąc pod uwagę wartość UI ok. 9 ps i czas narastania UI 25%, jest to wystarczające, by doszło do znacznego przesunięcia punktów przecięcia poziomów. Wynikiem jest zmniejszenie pionowej odległości między poziomami i poziomej odległości między punktami przecięcia.

Wniosek z tego jest taki: jitter można postrzegać jako źródło szumu w dziedzinie czasu, które zwiększa poziom szumu w dziedzinie napięcia, a tę zmianę poziomu szumu można zobaczyć na wykresie oczkowym. W innym artykule przyjrzę się wzajemnemu oddziaływaniu losowego jittera i otworu oka, abyśmy mogli zobaczyć akceptowalny limit losowego jittera, który może być tolerowany w kanale.

Pomiar i symulacja wykresów oczkowych i BER

Jak wspomniałem wcześniej, wykresy oczkowe mogą być symulowane albo z modelu kanału ze znanymi parametrami S / funkcją transferu i zdefiniowanymi buforami, albo bezpośrednio z układu PCB z obecnymi wszystkimi elementami pasożytniczymi. Jeśli znane są modele kanałów, wykres oczkowy może być symulowany za pomocą pseudolosowej sekwencji bitów z operacją splotu (patrz schemat blokowy poniżej). Proces ten można wdrożyć w programie Matlab lub innym matematycznym programie skryptowym.

Podczas pracy z prototypem podstawowym celem jest określenie zgodności i wyodrębnienie modelu kanału z pomiarów. Model kanału będzie bardzo przydatny do dalszych zadań projektowych, takich jak dodanie łącznika lub przejścia. Określenie zgodności kanału będzie również wymagało analizy BER. Jest to jednak inny temat i nie będę w tym artykule omawiać wszystkich możliwości. Aby dowiedzieć się więcej na temat analizy wykresów oczkowych, zapoznaj się z tym artykułem firmy Tektronix. Istnieją też inne pomiary, które można wyodrębnić z wykresu oczkowego. Warto zapoznać się z tym artykułem pomocy technicznej przygotowanym przez Keysight, aby uzyskać wskazówki dotyczące innych pomiarów.

Aby poprawnie rozmieścić komponenty, poprowadzić ścieżki i uzyskać dostęp do zaawansowanych symulatorów dla swojego systemu cyfrowego, warto skorzystać z pełnego zestawu narzędzi do projektowania PCB w programie Altium Designer®. Po zakończeniu projektowania i udostępnieniu plików producentowi platforma Altium 365™ ułatwia współpracę i udostępnianie projektów.

Dotychczas przedstawiliśmy tylko skrótową wersję możliwości programu Altium Designer na platformie Altium 365. Rozpocznij darmowy okres próbny programu Altium Designer na platformie Altium 365 już dziś.