Кіріспе
Цифрлық деректер сигналының осциллографтағы көрсетілімі. Телекоммуникацияда, көз диаграммасы деп те аталатын көз үлгісі – қабылдағыштан келетін цифрлық сигналдың қайталап үлгіленуі және тік кіріске (y ось) қолданылуы, ал дерек жылдамдығы көлденең (x ось) сканилеуді іске қосу үшін пайдаланылады. Оның аты одан туындаған, себебі бірнеше кодтау түрлері үшін үлгі рельстер жұбы арасындағы көзге ұқсайды. Бұл – арна шуының, дисперсияның және символдар аралық кедерлестің базалық жолақты импульстік тарату жүйесінің жұмысына тигізетін күшті әсерін бағалау құралы. Бұл техника алғаш рет Екінші дүниежүзілік соғыста SIGSALY қорғалған сөйлеу тарату жүйесімен қолданылды. Математикалық тұрғыдан алғанда, көз үлгісі – сигналдың ықтималдық тығыздық функциясының (PDF) визуализациясы, бірлік интервалына (UI) қатысты. Басқаша айтқанда, ол сигналдың UI ұзақтығы бойындағы әрбір мүмкін кернеуде болу ықтималдығын көрсетеді. Әдетте, PDF-ке түстік градиент қолданылады, бұл шағын жарық айырмашылықтарын көруді жеңілдетеді. Көрсетілімді талдау арқылы жүйе өнімділігінің бірнеше өлшемдерін алуға болады. Егер сигналдар тым ұзын, тым қысқа, жүйелік сағатпен дұрыс синхронды болмаса, тым жоғары, тым төмен, тым шулы немесе өзгеріске тым жай болса, немесе тым көп төменгі немесе жоғарғы ауытқулар болса, осыны көз диаграммасынан байқауға болады. Ашық көз үлгісі сигналдың минималды бұрмалануына сәйкес келеді. Символдар аралық кедерлестің және шудың салдарынан сигнал формасының бұрмалануы көздің жабылуы ретінде көрінеді.
In telecommunication, an eye pattern, also known as an eye diagram, is an oscilloscope display in which a digital signal from a receiver is repetitively sampled and applied to the vertical input (y axis), while the data rate is used to trigger the horizontal sweep (x axis). It is so called because, for several types of coding, the pattern looks like a series of eyes between a pair of rails. It is a tool for the evaluation of the combined effects of channel noise, dispersion and intersymbol interference on the performance of a baseband pulse transmission system. The technique was first used with the WWII SIGSALY secure speech transmission system. From a mathematical perspective, an eye pattern is a visualization of the probability density function (PDF) of the signal, modulo the unit interval (UI). In other words, it shows the probability of the signal being at each possible voltage across the duration of the UI. Typically a color ramp is applied to the PDF in order to make small brightness differences easier to visualize. Several system performance measurements can be derived by analyzing the display. If the signals are too long, too short, poorly synchronized with the system clock, too high, too low, too noisy, or too slow to change, or have too much undershoot or overshoot, this can be observed from the eye diagram. An open eye pattern corresponds to minimal signal distortion. Distortion of the signal waveform due to intersymbol interference and noise appears as closure of the eye pattern.
Бастапқы деректер
Көз үлгісін есептеудің бірінші қадамы, әдетте, талданатын толқынды квантталған түрде алу болып табылады. Бұл нақты электр жүйесін жеткілікті өткізу қабілеті бар осциллоскоппен өлшеу арқылы, немесе ұсынылып отырған жобаның сигнал сапасын бағалау үшін схема симуляторымен синтетикалық деректер жасау арқылы іске асырылуы мүмкін. Екі тәсілдің де үйлесімі қолданылуы мүмкін: өлшенген сигналға кез келген схеманың немесе тарату желісінің әсерін симуляциялау, мысалы, сигналдың ұзын кабельден өткеннен кейін де түсінікті болатынын анықтау үшін. Сондай-ақ, бірлік интервалындағы (UI) үлгілер санын арттыру және көзді жақсы көрінетін, үздіксіз графикті жасау үшін интерполяция қолданылуы мүмкін.
Қию
Бұдан кейін әрбір үлгінің пайдаланушы интерфейсіндегі (ЖІ) орны анықталуы керек. Сигналдың ерекшеліктеріне және қолданылып жатқан осциллографтың және бағдарламалық құралдың мүмкіндіктеріне қарай, мұны істеудің бірнеше тәсілі бар. Көздегі тербелісті дұрыс көрсету үшін бұл қадам өте маңызды.
Іске қосу
Кесудің өте қарапайым әдісі – осциллоскоп дисплейін бір UI-ден сәл артық енде орнату, сигналдың өсу және төмендеу жиектері бойынша синхронизациялау, және барлық өлшенген толқын формалары бір графикке "жиналып" көрсетілуі үшін дисплейдің тұрақтылығын қосу. Бұл әдіс кез келген осциллоскопта (тіпті толық аналогтық осциллоскоптарда да) қолданылуы мүмкін және шуды және сигналдың жалпы пішінін жақсы көруге мүмкіндік береді, бірақ сигналдың джиттер (қалбыру) мазмұнын толығымен жояды, себебі құралдың синхронизациясы әрбір UI үшін графикті қайтадан синхронизациялайды. Осы әдіспен көрінетін жалғыз қалбыру – осциллоскоптың өзінің қалбыруы, сондай-ақ өте жоғары жиілікті қалбырулар (UI-ден кіші кезеңді жиіліктер).
Бекітілген мөлшерлеме
Сигналдағы джиттерді көру үшін көзге үлгіні көрсетудің қарапайым жолы – сигналдың символ жылдамдығын бағалау (мысалы, белгілі уақыт аралығындағы нөлдік өтулердің орташа санын санау арқылы) және бір осциллограф түсірілімінде көптеген UI-ларды алу. Түсірілімдегі алғашқы нөлдік қиылыс анықталып, бірінші UI-дың басталуы деп жарияланады, ал толқынның қалған бөлігі бір UI ұзындығындағы бөліктерге бөлінеді. Бұл тәсіл символ жылдамдығы уақыт өте келе өзгермейтін тұрақты сигналдар үшін жеткілікті жұмыс істей алады, бірақ жүйедегі қателіктер дрейфтің пайда болуына әкеледі, сондықтан бұл тәсіл практикада сирек қолданылады. Кейбір протоколдарда, мысалы SATA, символ жылдамдығы таратылған спектрлік сағатты пайдалану арқылы қасақана өзгертіледі, сондықтан тұрақты жылдамдық деп есептеу сигналдағы нақты джиттерді күрт арттырып көрсетеді. (Сағаттағы таратылған спектрлік модуляция техникалық тұрғыдан джиттер болып есептелсе де, осы жүйелерге арналған қабылдағыштар осы модуляцияны қадағалауға бағдарланған. Сигнал тұтастығы инженерін қызықтыратын джиттер – модуляция жылдамдығынан әлдеқайда жоғары жылдамдықпен өзгеретін джиттер, оны қабылдағыш тиімді қадағалай алмайды.)
Анықтама сағаты
Кейбір протоколдар, мысалы HDMI, сигналмен бірге эталондық сағатты жіберуге болады, бұл символдық жылдамдыққа тең немесе төменгі (бірақ синхронды) жиілікте болып, одан символдық сағатты қайта құруға мүмкіндік береді. Жүйедегі нақты қабылдағыш деректерді үлгілеу үшін осы эталондық сағатты пайдаланатындықтан, UI шекараларын анықтау үшін осы сағатты қолдану, көз диаграммасының сигналды қабылдағыш көріп тұрғандай нақты бейнелеуіне мүмкіндік береді: сигнал мен эталондық сағат арасындағы тек тербеліс (jitter) көрсетіледі.
Сағатты қалпына келтіру
Жоғары жылдамдықты сериялық сигналдардың көпшілігі, мысалы PCIe, DisplayPort және Ethernet-тің көптеген түрлері, PLL арқылы сағатты оңай қалпына келтіруге бағытталған желілік кодты пайдаланады. Қабылдағыш осылай жұмыс істейтініне байланысты, көз үлгісі үшін деректерді кесудің ең дәл тәсілі – бағдарламалық құралда сол сипаттамалары бар PLL-ді іске асыру болып табылады. PLL-дің дұрыс конфигурациясы көзге кең спектрлі сағаттық модуляцияның және қабылдағышта қателерге себеп болмайтын символ жылдамдығының басқа ұзақ мерзімді өзгерістерінің әсерін жасыруға мүмкіндік береді, сонымен бірге жоғары жиілікті джиттерді көрсетуге болады.
Интеграциялау
Үлгілер екі өлшемді гистограммаға жинақталады, мұнда X ось UI ішіндегі уақытты, ал Y ось кернеуді көрсетеді. Содан кейін бұл гистограмманың әр шаршысындағы мәнді ең үлкен шаршыдағы мәнге бөлу арқылы нормалданады. Таратудың әртүрлі бөліктерін көрсету үшін тондық карталау, логарифмдік масштабтау немесе басқа математикалық түрлендірулер қолданылуы мүмкін, сосын көрініс үшін түстер градиенті соңғы «көз» суретіне қолданылады. Сигналды дәл бейнелеу үшін көп дерек қажет болуы мүмкін; бір «көз» суреті үшін ондағаннан жүздеген миллионға дейін UI жиі қолданылады. Төмендегі мысалда он екі мың UI қолданылған «көз» тек негізгі пішінды ғана көрсетеді, ал сегіз миллион UI қолданылған «көз» өрлеу және төмендеу жиектерінде әлдеқайда көп айырмашылықты көрсетеді.
Модуляция
Базалық жолақты модуляцияның әрбір түрі ерекше пішіндегі көз үлгісін құрайды.
NRZ
NRZ сигналының көз үлгісі екі айқын түрде ерекшеленетін деңгейден және олардың арасындағы тегіс өтулерден құралуы тиіс.
MLT-3
MLT 3 сигналының көз үлгісі үш анық деңгейден (атақты түрде төменнен жоғарыға қарай 1, 0, +1) құралуы керек. 0 деңгейі нөл вольт деңгейінде орналасуы тиіс, ал жалпы пішіні көлденең ось бойынша симметриялық болуы керек. +1 және -1 күйлері тең амплитудаға ие болуы керек. 0 күйінен +1 және -1 күйлеріне тегіс өтулер болуы керек, алайда -1 күйінен +1 күйіне тікелей өтулер болмауы керек (мұндай жағдай сигналдың MLT 3 емес, PAM 3 екенін көрсетеді).
PAM
PAM сигналының көз үлгісі N нақтырақ бөлінген деңгейден құралуы тиіс (PAM ретіне байланысты, мысалы, PAM 4 төрт деңгейге, ал PAM 3 үш деңгейге ие болуы керек). Тұтас пішін көлденең ось бойынша симметриялық болуы керек және барлық деңгейлердің арақашықтығы тең болуы керек.
Канал әсерлері
Арнаның көптеген қасиеттерін көз пішінінен байқауға болады.
Жоғары жиіліктегі жоғалту
Диэлектрлік шығынға байланысты баспалы схема тақтасының іздері мен кабельдердегі жоғалту жиілік артумен бірге өседі, бұл арнаның төмен өткіргіш сүзгі ретінде жұмыс істеуіне себеп болады. Бұл сигналдың өрлеу/түсу уақытын ұзартады. Егер деректердің жылдамдығы жеткілікті жоғары болса немесе арнаның жоғалтуы жеткілікті болса, сигнал 0 1 0 немесе 1 0 1 өту кезінде толық мәніне жетпей, бірнеше бірдей биттер тізбесінен кейін ғана тұрақтана алады. Бұл "көздің" тік жабылуына әкеледі. Төмендегі суретте 1,25 Гбит/с NRZ сигналы, шамамен 12 фут (3,65 метр) ұзындығындағы RG 188 коаксиалдық кабелінен өткеннен кейін жоғалту арнасы арқылы өтеді. Бұл арнадағы жоғалту 0,1 дБ (DC кезінде) бастап 6 ГГц-де 9 дБ-ға дейін салыстырмалы түрде сызықты өседі. "Көздің" жоғарғы және төменгі "рельстері" сигналдың бір мәнді бірнеше тізбекті биттерден кейін жететін соңғы кернеуін көрсетеді. DC кезінде арнаның жоғалтуы минималды болғандықтан, сигналдың максималды амплитудасы көп өзгермейді. Сигналдың өрлеу жиегіне қарасақ (0 1 үлгісі), сигнал шамамен 300 пс-та тежеле бастайтынын, бірақ UI ұзақтығы бойына баяу өсуін жалғастыратынын көреміз. Шамамен +300 пс-та сигнал қайтадан төмендеуді бастайды (0 1 0 үлгісі) немесе баяу өсуді жалғастырады (0 1 1 үлгісі). Жоғары жиілікті жоғалтулар артқан сайын, "көздің" жалпы пішіні біртіндеп синусоидаға айналады (деректердің жоғары жиілікті гармоникалары жойылғаннан кейін, тек негізгі жиілік қалады) және амплитудасы төмендейді.
Импеданс сәйкессіздіктері
Желідегі түйіршіктер, импеданс сәйкессіздіктері және басқа да ақаулар сигналдың жиектерінде ақаулар түрінде көрінетін шағылыстарға себеп болуы мүмкін. Бір UI-ден асатын кешігумен шағылыстар көбінесе символдар арасындағы кедергілер (ISI) салдарынан "көзді" толығымен оқу мүмкін емес етеді, бірақ қысқарақ кешігумен шағылыстарды "көздің" пішінінде оңай көруге болады. Төмендегі суретте, желіде шамамен бір дюймдік (25,4 мм) ашық тізбекті түйіршік бар, ол бастапқыда төмен импеданстық әсерді (азайтылған амплитуданы) тудырады, содан кейін түйіршіктің соңынан 320 пс немесе 0,4 UI кешігумен оң шағылыс пайда болады. Бұл, сигнал толық мәнінің бір бөлігіне дейін көтерілетін, түйіршіктің барып-қайту кешігуіне дейін тұрақталатын және шағылыс келгенде толық мәніне жететін өсу жиегіндегі "қадам" ретінде анық көрінеді. Төмендегі суретте, осы түйіршіктің соңына қосымша үш дюймдік кабель қосылған. Сол "қадам" бар, бірақ қазір төрт есе ұзын, шамамен 1280 пс немесе 1,6 UI шағылыстыратын шағылыстар тудырады. Бұл өте күшті ISI-ге (әрбір UI-дың шағылысы келесі UI кезінде келетін болғандықтан) әкеліп соқтырады, бұл "көзді" толығымен жабады.