Введение

Осциллографическое отображение цифрового сигнала данных.

В телекоммуникациях, диаграмма развертки, также известная как «глаз», представляет собой отображение на экране осциллографа, в котором цифровой сигнал от приемника многократно дискретизируется и подается на вертикальный вход (ось Y), а скорость передачи данных используется для запуска горизонтальной развертки (ось X). Она получила такое название, поскольку для некоторых типов кодирования рисунок напоминает серию глаз между двумя направляющими. Это инструмент для оценки совокупного влияния шума канала, дисперсии и межсимвольной интерференции на характеристики системы передачи импульсов в базовой полосе. Впервые эта техника была применена во время Второй мировой войны в защищенной системе передачи речи SIGSALY. С математической точки зрения, диаграмма развертки является визуализацией функции плотности вероятности (PDF) сигнала, по модулю единичного интервала (UI). Иными словами, она показывает вероятность того, что сигнал будет находиться на каждом возможном уровне напряжения в течение длительности UI. Обычно для облегчения визуализации небольших различий в яркости к PDF применяется цветовая шкала. Анализ отображения позволяет получить ряд измерений производительности системы. Если сигналы слишком длинные, слишком короткие, плохо синхронизированы с системными тактами, слишком высокие, слишком низкие, слишком зашумленные, слишком медленные для изменения или имеют чрезмерный провал или выброс, это можно увидеть на диаграмме развертки. Открытая диаграмма развертки соответствует минимальному искажению сигнала. Искажение формы сигнала из-за межсимвольной интерференции и шума проявляется в виде сужения «глаза».

Исходные данные

Первый шаг вычисления глазной диаграммы обычно заключается в получении анализируемой формы сигнала в дискретизированном виде. Это можно сделать путем измерения реальной электрической системы с помощью осциллографа с достаточной полосой пропускания или путем создания синтетических данных с помощью схемного симулятора для оценки целостности сигнала предлагаемой конструкции. Также может использоваться комбинация этих подходов: моделирование влияния произвольной схемы или линии передачи на измеренный сигнал, например, для определения, останется ли сигнал разборчивым после прохождения по длинному кабелю. Интерполяция также может быть применена на этом этапе для увеличения количества отсчетов на единичный интервал (UI) и получения гладкого графика без разрывов, который более нагляден и удобен для анализа.

Разрезка

Далее необходимо определить положение каждого образца в пользовательском интерфейсе. Существует несколько методов для этого, в зависимости от характеристик сигнала и возможностей используемого осциллографа и программного обеспечения. Этот шаг критически важен для точной визуализации джиттера в "глазе" схемы.

Запуск

Очень простым способом анализа сигнала является установка ширины дисплея осциллографа чуть больше одного периода, запуск по обоим фронтам сигнала (восходящему и нисходящему) и включение режима накопления изображения, чтобы все измеренные формы волн "накладывались" друг на друга в единый график. Этот метод имеет преимущество в том, что он может быть реализован практически на любом осциллографе (даже полностью аналоговом) и позволяет достаточно хорошо визуализировать шум и общую форму сигнала, но полностью подавляет информацию о джиттере, поскольку триггер прибора пересинхронизирует график с каждым периодом. При использовании этого метода виден только собственный джиттер осциллографа, а также джиттер очень высокой частоты (с периодом менее одного периода).

Фиксированная ставка

Простой способ отобразить джиттер в сигнале – оценить скорость передачи символов (например, подсчитав среднее количество пересечений нуля в известном временном интервале) и захватить множество периодов символа (UI) при одном захвате осциллографа. Первое пересечение нуля в захвате определяется как начало первого UI, а остальная часть формы сигнала разделяется на отрезки длиной в один UI. Этот подход может быть адекватным для стабильных сигналов, у которых скорость передачи символов остается постоянной во времени, однако из-за неточностей системы неизбежен некоторый дрейф, поэтому на практике он используется редко. В некоторых протоколах, таких как SATA, скорость передачи символов намеренно изменяется с помощью широкополосной модуляции тактовой частоты, поэтому предположение о фиксированной скорости приведёт к тому, что диаграмма "глаз" значительно преувеличит фактический джиттер сигнала. (Хотя широкополосная модуляция тактовой частоты технически является джиттером в строгом смысле, приёмники в этих системах разработаны для отслеживания модуляции. Инженера по целостности сигнала интересует только джиттер, значительно более быстрый, чем скорость модуляции, который приёмник не может эффективно отслеживать.)

Справочные часы

С некоторыми протоколами, такими как HDMI, вместе с сигналом подается опорный генератор, либо с частотой символов, либо с более низкой (но синхронизированной) частотой, из которой можно восстановить тактовую частоту символов. Поскольку реальный приемник в системе использует опорный генератор для дискретизации данных, использование этого генератора для определения границ элемента интерфейса позволяет диаграмме "глаз" достоверно отображать сигнал таким, каким его видит приемник: отображается только джиттер между сигналом и опорным генератором.

Восстановление часов

Большинство высокоскоростных последовательных сигналов, таких как PCIe, DisplayPort и большинство вариантов Ethernet, используют линейный код, предназначенный для облегчения восстановления тактовой частоты с помощью ФАПЧ (PLL). Поскольку именно так работает реальный приемник, наиболее точным способом выделения данных для построения диаграммы "глаз" является реализация ФАПЧ с аналогичными характеристиками в программном обеспечении. Правильная настройка ФАПЧ позволяет диаграмме "глаз" маскировать влияние размазывания спектра и других долгосрочных изменений скорости передачи символов, которые не приводят к ошибкам на приемнике, при этом отображая высокочастотный джиттер.

Интеграция

Затем образцы накапливаются в двухмерную гистограмму, где ось X представляет время внутри элемента интерфейса (UI), а ось Y – напряжение. Далее это нормализуется путем деления значения в каждом интервале гистограммы на значение в наибольшем интервале. Для выделения различных областей распределения могут применяться тональная коррекция, логарифмическое масштабирование или другие математические преобразования, а к конечному изображению глаза применяется цветовой градиент для отображения. Для получения точного представления сигнала может потребоваться большой объем данных; для построения одного диаграммы глаза часто используют от десятков до сотен миллионов UI. В приведенном ниже примере диаграмма глаза, построенная по двенадцати тысячам UI, показывает лишь общую форму, в то время как диаграмма глаза, построенная по восьми миллионам UI, демонстрирует гораздо больше деталей на восходящих и нисходящих фронтах.

Модуляция

Каждая форма базбенд-модуляции формирует диаграмму открытого глаза с уникальным видом.

НРЗ

Очковой рисунок сигнала NRZ должен состоять из двух чётко различимых уровней с плавными переходами между ними.

MLT-3

Очковой рисунок сигнала MLT 3 должен состоять из трех четко различимых уровней (номинально 1, 0, +1 снизу вверх). Уровень 0 должен располагаться на нулевом вольтаже, а общая форма должна быть симметричной относительно горизонтальной оси. Состояния +1 и 1 должны иметь одинаковую амплитуду. Должны быть плавные переходы от состояния 0 к состояниям +1 и 1, однако прямые переходы от состояния 1 к состоянию +1 недопустимы (так как это указывает на то, что сигнал является PAM 3, а не MLT 3).

ПАМ

Очковой рисунок сигнала PAM должен состоять из N чётко различимых уровней (в зависимости от порядка модуляции PAM, например, PAM 4 должен иметь четыре уровня, а PAM 3 – три). Общая форма должна быть симметричной относительно горизонтальной оси, а интервалы между всеми уровнями должны быть одинаковыми.

Эффекты канала

Многие характеристики канала можно увидеть на глазной диаграмме.

Высокочастотные потери

Потеря сигнала в трассах печатных плат и кабелях возрастает с частотой из-за диэлектрических потерь, что приводит к тому, что канал начинает вести себя как фильтр нижних частот. Это увеличивает время нарастания и спада сигнала. Если скорость передачи данных достаточно высока или канал обладает значительными потерями, сигнал может даже не достичь своего полного значения во время быстрого перехода 0-1-0 или 1-0-1, а стабилизируется только после последовательности из нескольких одинаковых битов. Это приводит к вертикальному сужению "глаза" диаграммы. На изображении ниже показан сигнал NRZ со скоростью 1,25 Гбит/с после прохождения через канал с потерями – коаксиальный кабель RG-188 длиной около 12 футов (3,65 метра). Потери в этом канале возрастают достаточно линейно: от 0,1 дБ при постоянном токе до 9 дБ при 6 ГГц. Верхние и нижние "рельсы" "глаза" показывают конечное напряжение, которого достигает сигнал после нескольких последовательных битов с одинаковым значением. Поскольку потери канала минимальны при постоянном токе, максимальная амплитуда сигнала практически не изменяется. Рассматривая восходящий фронт сигнала (последовательность 0-1), можно заметить, что сигнал начинает выравниваться примерно через 300 пс, но продолжает медленно расти в течение длительности периода интерфейса. Около +300 пс сигнал либо начинает снижаться (последовательность 0-1-0), либо продолжает медленно расти (последовательность 0-1-1). С увеличением высокочастотных потерь общая форма "глаза" постепенно деградирует до синусоиды (после устранения высокочастотных гармоник данных остается только основная частота) и уменьшается в амплитуде.

Несовпадение импедансов

Прерывания, несоответствие импеданса и другие дефекты в линии передачи могут вызывать отражения, видимые как искажения на фронтах сигнала. Отражения с задержкой более одного UI часто делают "глаз" сигнала полностью нечитаемым из-за межсимвольной интерференции (ISI), однако отражения с меньшей задержкой можно легко заметить по форме "глаза". На изображении ниже в линии присутствует открытый конец длиной примерно один дюйм (25,4 мм), вызывающий начальный эффект низкого импеданса (снижение амплитуды), за которым следует положительное отражение от конца этого открытого конца с задержкой около 320 пс или 0,4 UI. Это отчетливо видно как "ступенька" на восходящем фронте, где сигнал поднимается до частичного значения, стабилизируется на время обратного прохода отражения, а затем достигает полного значения, когда приходит отраженный сигнал. На изображении ниже к концу того же открытого конца добавляется дополнительный трехдюймовый кабель. Та же "ступенька" присутствует, но теперь в четыре раза длиннее, что создает отражения примерно на 1280 пс или 1,6 UI. Это приводит к сильной ISI (поскольку отражение от каждого UI приходит во время следующего UI), что полностью закрывает "глаз".