Что такое диаграмма глазков?

Существует множество способов характеризации высокоскоростных цифровых каналов, целью которых является проверка конкретных метрик целостности сигнала, демонстрирующих соответствие канала. Такие вещи, как S-параметры и импеданс, полезны, но есть одно важное измерение, которое должно быть оценено с цифровым потоком битов: диаграмма глаза.

Диаграмма глаза является полезным измерением или симуляцией как часть соответствия канала. Измерение показывает множество различных факторов, которые могут одновременно влиять на поведение сигнала, в конечном итоге позволяя квалифицировать ошибки и потери в канале. В этой статье я расскажу о некоторых основных измерениях, которые вы могли бы вручную извлечь из диаграммы глаза и как они раскрывают некоторые стратегии улучшения дизайна каналов.

Диаграммы глаза в анализе целостности сигнала

Что такое диаграмма глаза?

Одним из фундаментальных измерений, используемых для квалификации дизайнов каналов в цифровых системах, является диаграмма глаза. Это включает в себя наложение нарастающих и спадающих фронтов битового потока в временной домен с использованием, например, осциллографа. Симулятор целостности сигнала может выполнять тот же тип наложения уровней сигналов. Наложением нарастающих и спадающих фронтов легко визуализировать уровень вариативности в поведении сигнала.

Отклонения, которые могут привести к уровням битовых ошибок, являются основными величинами, которые должны быть определены из этого измерения. С наложенными сигнальными трассами можно проводить статистический анализ в различных точках временных измерений. Ниже приведен пример диаграммы глаза и гистограмма измерений, взятых с низкого уровня сигнала в трассе. Из этой гистограммы вы можете аппроксимировать данные нормальным распределением, используя расчеты выборочного стандартного отклонения и среднего уровня сигнала. Полученное нормальное распределение наложено на данные ниже.

Чему вы можете научиться из диаграммы глаза

Эта диаграмма помогает вам количественно оценить массу информации из одного измерения. Вы можете извлечь следующую информацию непосредственно из измерения диаграммы глаза:

• Джиттер времени: Вариацию в начале нарастания/спада можно непосредственно увидеть на диаграмме глаза, когда вы смотрите на пересечения сигналов во время переключения. Это будет учитывать как случайный шум, так и сдвиг времени в дифференциальной паре.
• Вариация уровня сигнала: Вы легко сможете увидеть, как варьируется уровень сигнала. Это, в общем, некоторая функция джиттера времени плюс другой случайный шум. Уровни сигналов также могут варьироваться в зависимости от несоответствий импеданса.
• Среднее время нарастания/спада: Это время между средним временем уровня сигнала 90% и средним временем уровня сигнала 10%. Оно связано как с ответом канала, так и с шумом в системе. Если есть сильные отражения, шум или межсимвольная интерференция (ISI), времена нарастания/спада могут быть нестабильными и могут проявлять плато или сильные отклонения.
• Средняя длительность символа: Это время между серединами последовательных пересечений сигнала.
• Коэффициент ошибок по битам (BER): Сравнивая пороги логики с принятыми битами на диаграмме глаза, можно определить коэффициент ошибок по битам. Это значение будет зависеть от нескольких факторов, но желаемое значение может быть как можно меньше, до 10-12 или ниже. Техники, такие как эквализация и предварительное усиление, являются двумя способами уменьшения значений BER. Например, динамическая эквализация обратной связи (DFE) используется для 400G с PAM-4.

Межсимвольная интерференция

Состояние, при котором последовательные сигналы взаимно мешают друг другу из-за проблем с целостностью сигнала, называется межсимвольной интерференцией. Изучая межсимвольную интерференцию, возникающую из-за последовательных битов, можно выявить конкретные проблемы в цифровом канале. Найденная в канале межсимвольная интерференция является суммарной метрикой, Джейсон Эллисон предоставляет хороший обзор и сравнение с отклонением потерь на вставке в этой статье.

Это порождает обратный вопрос: что бы составляло объективно желаемую диаграмму глаза? Идеально, если бы было нулевое искажение сигнала, нулевой джиттер, нулевое распространение импульсов и нулевой шум амплитуды. Другими словами, выходные сигналы точно соответствуют входным сигналам. Возможность видеть это делает диаграммы глаза такой фундаментальной частью целостности сигнала!

Как читать диаграмму глаза

Диаграмма глаза, которую вы создаете для канала высокой скорости, иллюстрирует статистику переходов сигнала между разными уровнями и статистику напряжений на каждом логическом уровне. Это дает вам меру шума, существующего на приемнике из-за межсимвольной интерференции, перекрестных помех и любого феноменологического шума, добавленного в канал (джиттер уровня на шине питания ввода/вывода драйвера). Однако типичная метрика, используемая для чтения диаграммы глаза, - это ее маска или открытие глаза.

Открывающееся "око" демонстрирует область внутри диаграммы глаза. Чтобы увидеть открытие "глаза", мы можем рассмотреть следующий пример для канала PAM-4 с пропускной способностью 224 Гбит/с. Приведенная ниже симуляция показывает диаграмму глаза для псевдослучайной битовой последовательности для канала длиной ~700 мил между чипом и его модулем подключения; расчеты были выполнены с использованием Simberian. Когда единственным джиттером, который присутствует, является джиттер от отражения на идеально завершенной нагрузке до требуемой полосы пропускания канала 56 ГГц, мы видим, что открытие "глаза" очень четкое с разделением сигналов на ~220 мВ.

Мы можем ясно видеть, что открытие "глаза" вдоль временной оси варьируется от примерно 44% до 57% от интервала единицы (UI). Это иллюстрирует количество джиттера, наблюдаемого на приемнике, только из-за взаимодействия входящих импульсов с отраженными импульсами. Диапазон джиттера в этом канале составляет около 1.16 пс изменения, только из-за наложения импульсов.

После добавления случайного джиттера в канал мы видим некоторое размытие узора глаза, поскольку точки пересечения начинают варьироваться по осям времени и напряжения. Ниже приведенный результат показывает, что происходит, когда на растущих фронтах сигналов, поступающих в канал, существует всего 5% случайного джиттера (стандартное отклонение в UI). Этот уровень джиттера может показаться малым, но учитывая значение UI примерно в 9 пс и время нарастания 25% UI, это достаточно для значительного смещения точек пересечения уровней. В результате вертикальное расстояние между уровнями уменьшается, а горизонтальное расстояние между точками пересечения сокращается.

Мораль этой истории такова: джиттер можно рассматривать как источник шума во временной области, который увеличивает уровень шума в области напряжения, и это изменение уровня шума можно увидеть на диаграмме глаза. В другой статье я рассмотрю взаимосвязь между случайным джиттером и открытием глаза, чтобы мы могли увидеть приемлемый предел случайного джиттера, который может быть допустим в канале.

Измерение и моделирование диаграмм глаза и BER

Как я упоминал ранее, диаграммы глазков могут быть смоделированы либо из модели канала с известными параметрами S/передаточной функцией и определенными буферами, либо непосредственно из макета печатной платы со всеми паразитными элементами. Если модели каналов известны, диаграмма глазков может быть смоделирована из псевдослучайной последовательности битов с использованием операции свертки (см. блок-схему ниже). Этот процесс может быть реализован в Matlab или другой программе для математического скриптинга.

При работе с прототипом, в конечном итоге цель состоит в том, чтобы определить соответствие и извлечь модель канала из измерений. Модель канала будет очень полезна для дальнейших задач проектирования, например, если вы захотите добавить разъем или переход через переходное отверстие. Определение соответствия канала также потребует анализа BER, который может быть довольно сложным, и я не буду здесь рассматривать все возможные пути. Чтобы узнать больше об анализе диаграмм глазков, ознакомьтесь с этой статьей от Tektronix. Кроме того, из вашей диаграммы глазков можно извлечь и другие измерения; ознакомьтесь с этой статьей поддержки от Keysight для получения рекомендаций по другим измерениям.

Когда вам нужно разместить компоненты, проложить линии передачи и получить доступ к мощным симуляторам для вашей цифровой системы, используйте полный набор инструментов для проектирования печатных плат в Altium Designer®. Когда вы закончили свой проект и хотите отправить файлы вашему производителю, платформа Altium 365™ упрощает сотрудничество и обмен проектами.

Мы только коснулись поверхности возможностей, которые открывает Altium Designer на Altium 365. Начните свою бесплатную пробную версию Altium Designer + Altium 365 сегодня.