Sơ đồ mắt là gì?

Có nhiều cách để đặc trưng cho các kênh số tốc độ cao, với mục tiêu là xác minh các chỉ số tính toàn vẹn tín hiệu cụ thể thể hiện sự tuân thủ của kênh. Những thứ như S-parameters và trở kháng là hữu ích, nhưng có một phép đo quan trọng cần được đánh giá với một dòng bit số: biểu đồ mắt.

Biểu đồ mắt là một phép đo hoặc mô phỏng hữu ích như một phần của việc tuân thủ kênh. Phép đo cho thấy nhiều yếu tố khác nhau có thể ảnh hưởng đến hành vi tín hiệu cùng một lúc, cuối cùng cho phép xác định lỗi và mất mát trong một kênh. Trong bài viết này, tôi sẽ trình bày một số phép đo cơ bản mà bạn có thể tự trích xuất từ biểu đồ mắt và cách chúng tiết lộ một số chiến lược để cải thiện thiết kế kênh.

Biểu Đồ Mắt trong Phân Tích Tính Toàn Vẹn Tín Hiệu

Biểu Đồ Mắt là gì?

Một trong những phép đo cơ bản được sử dụng để đánh giá thiết kế kênh trong các hệ thống số là biểu đồ mắt. Điều này bao gồm việc chồng lên nhau các cạnh tăng và giảm của một dòng bit trong một dấu vết mẫu thời gian, chẳng hạn như với một ống nhòm. Một trình mô phỏng tính toán độ tin cậy tín hiệu có thể thực hiện cùng một loại chồng lên của các mức tín hiệu. Bằng cách chồng các cạnh tăng và giảm, việc hình dung mức độ biến động trong hành vi tín hiệu trở nên dễ dàng.

Các biến động có thể dẫn đến tỷ lệ lỗi bit là các đại lượng chính cần được xác định từ phép đo này. Với các dấu vết tín hiệu chồng lên nhau, có thể thực hiện thống kê tại các điểm khác nhau dọc theo các phép đo miền thời gian. Hình dưới đây cho thấy một ví dụ về biểu đồ mắt và một biểu đồ phân phối của các phép đo được thực hiện từ mức tín hiệu THẤP trong dấu vết. Từ biểu đồ này bạn có thể khớp dữ liệu với một phân phối chuẩn bằng cách sử dụng các tính toán của độ lệch chuẩn mẫu và mức tín hiệu trung bình. Phân phối chuẩn kết quả được chồng lên trên dữ liệu dưới đây.

Những Gì Bạn Có Thể Học Từ Biểu Đồ Mắt

Sơ đồ này giúp bạn định lượng một lượng lớn thông tin từ một phép đo duy nhất. Bạn có thể trích xuất các thông tin sau trực tiếp từ phép đo sơ đồ mắt:

• Dao động thời gian: Sự biến đổi trong thời gian bắt đầu tăng/giảm có thể được quan sát trực tiếp từ biểu đồ mắt khi bạn nhìn vào các điểm giao nhau của tín hiệu trong quá trình chuyển mạch. Điều này sẽ tính đến cả nhiễu ngẫu nhiên và sự lệch thời gian trong một cặp vi sai.
• Biến động mức tín hiệu: Bạn sẽ dễ dàng nhìn thấy mức tín hiệu biến đổi như thế nào. Nói chung, đây là một chức năng của dao động thời gian cộng với các nhiễu ngẫu nhiên khác. Mức tín hiệu cũng có thể biến đổi tùy thuộc vào sự không khớp trở kháng.
• Thời gian tăng/giảm trung bình: Đây là thời gian giữa thời điểm mức tín hiệu 90% trung bình và thời điểm mức tín hiệu 10% trung bình. Nó liên quan đến cả phản ứng của kênh và nhiễu trong hệ thống. Nếu có sự phản xạ mạnh, nhiễu, hoặc ISI, thời gian tăng/giảm có thể không mượt mà và có thể xuất hiện các bậc thang hoặc biến động mạnh.
• Thời lượng ký hiệu trung bình: Đây là thời gian giữa các điểm giữa của các giao nhau tín hiệu liên tiếp.
• Tỷ lệ lỗi bit (BER): Bằng cách so sánh ngưỡng logic với các bit nhận được trong biểu đồ mắt, có thể xác định tỷ lệ lỗi bit. Giá trị này sẽ phụ thuộc vào một số yếu tố, nhưng một giá trị mong muốn có thể nhỏ như 10-12 hoặc thấp hơn. Các kỹ thuật như bằng phẳng hóa và trước nhấn mạnh là hai cách để giảm giá trị BER. Ví dụ, bằng phẳng hóa phản hồi động (DFE) được sử dụng cho 400G với PAM-4.

Nhiễu Tương Tự Ký Hiệu

Tình trạng mà các tín hiệu liên tiếp gây nhiễu lẫn nhau do vấn đề về tính toàn vẹn tín hiệu được gọi là nhiễu tương tự ký hiệu. Bằng cách kiểm tra nhiễu tương tự ký hiệu phát sinh từ các bit liên tiếp, có thể xác định các vấn đề cụ thể trong một kênh số. Nhiễu ISI bạn tìm thấy trong một kênh là một chỉ số tổng hợp, Jason Ellison cung cấp một cái nhìn tổng quan tốt và so sánh với sự lệch lạc mất mát chèn trong bài viết này.

Điều này đặt ra một câu hỏi ngược lại: điều gì sẽ tạo nên một biểu đồ mắt lý tưởng một cách khách quan? Lý tưởng nhất, bạn sẽ có sự méo tín hiệu bằng không, jitter bằng không, sự lan truyền xung bằng không, và tiếng ồn biên độ bằng không. Nói cách khác, các tín hiệu đầu ra chính xác khớp với các tín hiệu đầu vào. Khả năng nhìn thấy điều này làm cho biểu đồ mắt trở thành một phần cơ bản của tính toàn vẹn tín hiệu!

Cách Đọc Sơ Đồ Mắt

Sơ đồ mắt bạn tạo ra cho một kênh tốc độ cao minh họa thống kê của các chuyển đổi tín hiệu giữa các mức khác nhau và thống kê cho điện áp tại mỗi mức logic. Điều này cung cấp cho bạn một phép đo về nhiễu tồn tại tại bộ thu do sự can thiệp giữa các ký hiệu, nhiễu chéo, và bất kỳ nhiễu hiện tượng nào được thêm vào kênh (jitter mức trên đường ray nguồn I/O của trình điều khiển). Tuy nhiên, chỉ số điển hình được sử dụng để đọc sơ đồ mắt là mặt nạ của nó, hay còn gọi là khoảng mở mắt.

Việc quan sát khu vực bên trong của biểu đồ mắt giúp ta có cái nhìn sâu sắc về khu vực này. Để thấy được sự mở của mắt, chúng ta có thể xem ví dụ sau đây cho kênh PAM-4 224 Gbps. Mô phỏng dưới đây cho thấy một biểu đồ mắt cho một dòng bit ngẫu nhiên giả định cho một kênh dài khoảng 700 mil giữa chip và mô-đun kết nối của nó; điều này được tính toán với Simberian. Khi chỉ có jitter xuất phát từ phản xạ tại một tải kết thúc hoàn hảo lên đến băng thông kênh yêu cầu 56 GHz, chúng ta thấy rằng sự mở của mắt rất rõ ràng với khoảng cách ~220 mV giữa các tín hiệu.

Chúng ta có thể thấy rõ ràng rằng khoảng mở của mắt dọc theo trục thời gian dao động từ khoảng 44% đến 57% của khoảng thời gian đơn vị (UI). Điều này minh họa lượng jitter được nhìn thấy tại bộ thu chỉ do các xung đến gây nhiễu với các xung phản xạ. Phạm vi của jitter trên kênh này là khoảng 1.16 ps biến động chỉ do sự chồng chéo của các xung.

Một khi jitter ngẫu nhiên được thêm vào kênh, chúng ta thấy một số mờ nhòe của mẫu mắt khi các điểm giao nhau bắt đầu thay đổi trên các trục thời gian và điện áp. Kết quả dưới đây cho thấy điều gì xảy ra khi chỉ có 5% jitter ngẫu nhiên (độ lệch chuẩn trong UI) tồn tại trên các cạnh tăng của tín hiệu được đưa vào kênh. Mức độ jitter này có vẻ nhỏ, nhưng với giá trị UI khoảng ~9 ps và thời gian tăng 25% UI, đây là đủ để dịch chuyển đáng kể các điểm giao nhau. Kết quả là khoảng cách dọc giữa các mức và khoảng cách ngang giữa các điểm giao nhau bị giảm.

Bài học rút ra ở đây là: jitter có thể được xem như một nguồn nhiễu trong miền thời gian làm tăng mức độ nhiễu trong miền điện áp, và sự thay đổi này trong mức độ nhiễu có thể được thấy trong sơ đồ mắt. Trong một bài viết khác, tôi sẽ xem xét sự tương tác giữa việc mở mắt jitter ngẫu nhiên để chúng ta có thể thấy một giới hạn chấp nhận được về jitter ngẫu nhiên có thể được chịu đựng trong một kênh.

Đo và Mô phỏng Sơ đồ Mắt và BER

Như tôi đã đề cập trước đó, biểu đồ mắt có thể được mô phỏng, hoặc từ một mô hình kênh với S-parameters/chức năng chuyển đổi đã biết và bộ đệm được xác định, hoặc trực tiếp từ bố cục PCB với tất cả các thành phần nhiễu. Nếu mô hình kênh được biết, một biểu đồ mắt có thể được mô phỏng từ một chuỗi bit ngẫu nhiên giả với một phép tính chập (xem sơ đồ khối bên dưới). Quy trình này có thể được thực hiện trong Matlab hoặc một chương trình lập kịch bản toán học khác.

Khi làm việc với một mẫu thử, mục tiêu cuối cùng là xác định sự tuân thủ và rút ra mô hình kênh từ các phép đo. Mô hình kênh sẽ rất hữu ích cho các nhiệm vụ thiết kế tiếp theo, chẳng hạn như nếu bạn muốn thêm một kết nối hoặc chuyển đổi qua lỗ vias. Xác định tuân thủ kênh cũng sẽ yêu cầu phân tích BER, có thể khá phức tạp và tôi sẽ không đi qua tất cả các phương pháp ở đây. Để tìm hiểu thêm về phân tích biểu đồ mắt, hãy xem bài viết này từ Tektronix. Ngoài ra, có những phép đo khác bạn có thể rút ra từ biểu đồ mắt của mình; hãy xem bài viết hỗ trợ này từ Keysight để được hướng dẫn về các phép đo khác.

Khi bạn cần đặt các linh kiện, định tuyến các đường truyền và truy cập vào các bộ mô phỏng mạnh mẽ cho hệ thống số của mình, hãy sử dụng bộ công cụ thiết kế PCB hoàn chỉnh trong Altium Designer®. Khi bạn đã hoàn thành thiết kế của mình và muốn gửi các tệp cho nhà sản xuất của mình, nền tảng Altium 365™ giúp việc hợp tác và chia sẻ dự án của bạn trở nên dễ dàng.

Chúng tôi mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bắt đầu dùng thử miễn phí Altium Designer + Altium 365 ngay hôm nay.