O que é um Diagrama de Olho?

Existem muitas maneiras de caracterizar canais digitais de alta velocidade, com o objetivo de verificar métricas específicas de integridade de sinal que ilustram a conformidade do canal. Coisas como parâmetros-S e impedância são úteis, mas há uma medição importante a ser avaliada com um fluxo de bits digital: um diagrama de olho.

O diagrama de olho é uma medição ou simulação útil como parte da conformidade do canal. A medição mostra muitos fatores diferentes que podem afetar o comportamento do sinal simultaneamente, permitindo, em última análise, a qualificação de erros e perdas em um canal. Neste artigo, vou discutir algumas das medições fundamentais que você poderia extrair manualmente de um diagrama de olho e como elas revelam algumas estratégias para melhorar os designs de canais.

Diagramas de Olho na Análise de Integridade de Sinal

O que é um Diagrama de Olho?

Uma das medições fundamentais usadas para qualificar designs de canais em sistemas digitais é o diagrama de olho. Isso envolve sobrepor as bordas de subida e descida de um fluxo de bits em um traço de amostragem no domínio do tempo, como com um osciloscópio. Um simulador de integridade de sinal pode realizar o mesmo tipo de sobreposição de níveis de sinal. Ao sobrepor as bordas de subida e descida, é fácil visualizar o nível de variação no comportamento do sinal.

Variações que podem levar a taxas de erro de bit são as principais quantidades a serem determinadas a partir desta medição. Com traços de sinal sobrepostos, é possível obter estatísticas em vários pontos ao longo das medições no domínio do tempo. A imagem abaixo mostra um exemplo de diagrama de olho e um histograma de medições tiradas do nível de sinal BAIXO no traço. A partir deste histograma, você poderia ajustar os dados a uma distribuição normal usando cálculos do desvio padrão da amostra e do nível médio do sinal. A distribuição normal resultante é sobreposta aos dados abaixo.

O Que Você Pode Aprender Com um Diagrama de Olho

Este diagrama ajuda você a quantificar uma riqueza de informações a partir de uma única medição. Você pode extrair as seguintes informações diretamente de uma medição de diagrama de olho:

• Jitter de temporização: A variação no início da subida/descida pode ser vista diretamente de um diagrama de olho quando você observa os cruzamentos de sinal durante a comutação. Isso contabilizaria tanto o ruído aleatório quanto o desvio de tempo em um par diferencial.
• Variação do nível de sinal: Você poderá ver facilmente como o nível de sinal varia. Isso é, em geral, alguma função do jitter de temporização mais outros ruídos aleatórios. Os níveis de sinal também podem variar dependendo de desajustes de impedância.
• Tempo médio de subida/descida: Este é igual ao tempo entre o tempo médio do nível de sinal de 90% e o tempo médio do nível de sinal de 10%. Está relacionado tanto à resposta do canal quanto ao ruído no sistema. Se houver forte reflexão, ruído ou ISI, os tempos de subida/descida podem não ser suaves e podem exibir patamares ou forte variância.
• Duração média do símbolo: Este é o tempo entre os pontos médios de cruzamentos de sinal consecutivos.
• Taxa de erro de bit (BER): Comparando os limiares lógicos com os bits recebidos no diagrama de olho, é possível determinar uma taxa de erro de bit. Esse valor dependerá de vários fatores, mas um valor desejável pode ser tão pequeno quanto 10-12 ou inferior. Técnicas como equalização e pré-ênfase são duas maneiras de diminuir os valores de BER. Por exemplo, a equalização de feedback dinâmico (DFE) é usada para 400G com PAM-4.

Interferência entre símbolos

A condição em que sinais sucessivos interferem uns com os outros devido a problemas de integridade de sinal é chamada de interferência entre símbolos. Ao examinar a interferência entre símbolos resultante de bits sucessivos, é possível identificar problemas específicos em um canal digital. O ISI que você encontra em um canal é uma métrica somativa, Jason Ellison fornece uma boa visão geral e comparação com o desvio de perda de inserção neste artigo.

Isso levanta uma questão inversa: o que constituiria um diagrama de olho objetivamente desejável? Idealmente, você teria zero distorção de sinal, zero jitter, zero dispersão de pulso e zero ruído de amplitude. Em outras palavras, os sinais de saída correspondem exatamente aos sinais de entrada. A capacidade de ver isso é o que torna os diagramas de olho uma parte fundamental da integridade de sinal!

Como Ler um Diagrama de Olho

O diagrama de olho que você gera para um canal de alta velocidade ilustra as estatísticas das transições de sinal entre diferentes níveis e as estatísticas para as voltagens em cada nível lógico. Isso lhe dá uma medida do ruído que existe no receptor devido à interferência entre símbolos, diafonia e qualquer ruído fenomenológico adicionado ao canal (jitter de nível na trilha de alimentação I/O do driver). No entanto, a métrica típica usada para ler um diagrama de olho é sua máscara, ou abertura do olho.

A abertura do olho observa a região no interior do diagrama do olho. Para ver a abertura do olho, podemos olhar para o seguinte exemplo de um canal PAM-4 de 224 Gbps. A simulação abaixo mostra um diagrama do olho para um fluxo de bits pseudorrandom para um canal de aproximadamente 700 mil de comprimento entre um chip e seu módulo conector; isso foi calculado com o Simberian. Quando o único jitter presente vem da reflexão em uma carga perfeitamente terminada até a largura de banda do canal de 56 GHz requerida, vemos que a abertura do olho é muito clara com ~220 mV de separação entre os sinais.

Podemos ver claramente que a abertura do olho ao longo do eixo do tempo varia de cerca de 44% a 57% do intervalo de unidade (UI). Isso ilustra a quantidade de jitter vista no receptor apenas devido a pulsos entrantes interferindo com pulsos refletidos. A variação do jitter neste canal é de cerca de 1,16 ps de variação apenas devido à superposição de pulsos.

Uma vez que o jitter aleatório é adicionado ao canal, observamos um certo desfoque no padrão do olho à medida que os pontos de cruzamento começam a variar nos eixos de tempo e tensão. O resultado abaixo mostra o que acontece quando apenas 5% de jitter aleatório (desvio padrão em UI) existe nas bordas de subida dos sinais sendo conduzidos para o canal. Esse nível de jitter pode parecer pequeno, mas dado o valor de UI de ~9 ps e o tempo de subida de 25% UI, isso é suficiente para deslocar significativamente os cruzamentos de nível. O resultado é que a distância vertical entre os níveis e a distância horizontal reduzida entre os pontos de cruzamento.

A moral da história é: o jitter pode ser visto como uma fonte de ruído no domínio do tempo que aumenta o nível de ruído no domínio da tensão, e essa mudança no nível de ruído pode ser vista em um diagrama de olho. Em outro artigo, vou examinar a interação entre a abertura do olho de jitter aleatório para que possamos ver um limite aceitável de jitter aleatório que pode ser tolerado em um canal.

Medindo e Simulando Diagramas de Olho e BER

Como mencionei anteriormente, diagramas de olho podem ser simulados, seja a partir de um modelo de canal com parâmetros S/função de transferência conhecidos e buffers definidos, ou diretamente de um layout de PCB com todos os parasitas presentes. Se os modelos de canal são conhecidos, um diagrama de olho pode ser simulado a partir de uma sequência de bits pseudorrandom com uma operação de convolução (veja o diagrama de blocos abaixo). Esse processo pode ser implementado no Matlab ou outro programa de script matemático.

Quando se trabalha com um protótipo, o objetivo final é determinar a conformidade e extrair um modelo de canal a partir de medições. O modelo de canal será muito útil para tarefas de design futuras, como se você fosse adicionar um conector ou transição via. Determinar a conformidade do canal também exigirá a análise de BER, que pode ser bastante complexa e não vou detalhar todas as possibilidades aqui. Para aprender mais sobre a análise de diagramas de olho, dê uma olhada neste artigo da Tektronix. Além disso, há outras medições que você pode extrair do seu diagrama de olho; veja este artigo de suporte da Keysight para orientações sobre outras medições.

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