Augenmuster - Eye pattern
In der Telekommunikation ist ein Augenmuster , auch als Augendiagramm bekannt , eine Oszilloskopanzeige , bei der ein digitales Signal von einem Empfänger wiederholt abgetastet und an den vertikalen Eingang angelegt wird, während die Datenrate zum Triggern des horizontalen Sweeps verwendet wird. Es wird so genannt, weil bei verschiedenen Codierungsarten das Muster wie eine Reihe von Augen zwischen einem Schienenpaar aussieht. Es ist ein Werkzeug zur Bewertung der kombinierten Auswirkungen von Kanalrauschen, Dispersion und Intersymbolinterferenz auf die Leistung eines Basisband-Impulsübertragungssystems.
Aus mathematischer Sicht ist ein Augenmuster eine Visualisierung der Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion (PDF) des Signals, modulo des Einheitsintervalls (UI). Mit anderen Worten, es zeigt die Wahrscheinlichkeit an, dass das Signal während der Dauer der UI bei jeder möglichen Spannung liegt. Üblicherweise wird ein Farbverlauf auf das PDF angewendet, um kleine Helligkeitsunterschiede besser sichtbar zu machen.
Durch die Analyse der Anzeige können mehrere Systemleistungskennzahlen abgeleitet werden. Wenn die Signale zu lang, zu kurz, schlecht mit dem Systemtakt synchronisiert, zu hoch, zu niedrig, zu verrauscht oder zu langsam zu ändern sind oder zu viel Unter- oder Überschwingen aufweisen , kann dies anhand des Augendiagramms beobachtet werden. Ein offenes Augenmuster entspricht minimale Signalverzerrung . Verzerrung der Signalwellenform aufgrund von Intersymbolinterferenz und Rauschen erscheint als Verschluss des Augenmusters.
Berechnung
Quelldaten
Der erste Schritt zum Berechnen eines Augenmusters besteht normalerweise darin, die zu analysierende Wellenform in einer quantisierten Form zu erhalten. Dies kann durch Messen eines tatsächlichen elektrischen Systems mit einem Oszilloskop ausreichender Bandbreite oder durch Erstellen synthetischer Daten mit einem Schaltungssimulator erfolgen, um die Signalintegrität eines vorgeschlagenen Designs zu bewerten. Es kann auch eine Kombination der beiden Ansätze verwendet werden: Simulation der Auswirkungen einer beliebigen Schaltung oder Übertragungsleitung auf ein gemessenes Signal, möglicherweise um festzustellen, ob ein Signal nach dem Durchlaufen eines langen Kabels noch verständlich ist. Zu diesem Zeitpunkt kann auch eine Interpolation angewendet werden, um die Anzahl der Abtastwerte pro UI zu erhöhen und einen glatten, lückenfreien Plot zu erzeugen, der optisch ansprechender und leichter zu verstehen ist.
Schneiden
Als nächstes muss die Position jedes Samples innerhalb der UI bestimmt werden. Dazu gibt es verschiedene Methoden, abhängig von den Signaleigenschaften und den Fähigkeiten des Oszilloskops und der verwendeten Software. Dieser Schritt ist von entscheidender Bedeutung für die genaue Visualisierung von Jitter im Auge.
Auslösen
Eine sehr einfache Methode des Slicings besteht darin, die Oszilloskopanzeige auf eine Breite von etwas mehr als eine UI einzustellen, sowohl auf steigende als auch auf fallende Flanken im Signal zu triggern und die Anzeigepersistenz zu aktivieren, damit alle gemessenen Wellenformen in einem einzigen Diagramm "stapeln". Dies hat den Vorteil, dass es auf fast jedem Oszilloskop (auch vollständig analogen) möglich ist und eine anständige Visualisierung des Rauschens und der gesamten Signalform liefern kann, aber den Jitter-Gehalt des Signals vollständig zerstört, da der Trigger des Instruments den Plot mit jeder UI neu synchronisiert . Der einzige bei dieser Methode sichtbare Jitter ist der des Oszilloskops selbst sowie extrem hochfrequenter Jitter (Frequenzen mit einer Periode kleiner als die UI).
Fester Zinssatz
Eine einfache Möglichkeit, den Jitter des Augenmusters im Signal anzuzeigen, besteht darin, die Symbolrate des Signals zu schätzen (vielleicht durch Zählen der durchschnittlichen Anzahl von Nulldurchgängen in einem bekannten Zeitfenster) und viele UIs in einer einzigen Oszilloskoperfassung zu erfassen. Der erste Nulldurchgang in der Erfassung wird lokalisiert und als Start der ersten UI deklariert, und der Rest der Wellenform wird in Blöcke von einer UI Länge unterteilt.
Dieser Ansatz kann für stabile Signale angemessen funktionieren, bei denen die Symbolrate über die Zeit genau gleich bleibt, jedoch führen Ungenauigkeiten im System dazu, dass eine gewisse Drift unvermeidlich ist, sodass er in der Praxis selten verwendet wird. In einigen Protokollen wie SATA wird die Symbolrate absichtlich durch die Verwendung von Spread-Spectrum-Taktung variiert , so dass die Annahme einer festen Rate dazu führt, dass das Auge den tatsächlichen Jitter, der auf dem Signal vorhanden ist, stark übertreibt. (Während die Spread-Spectrum-Modulation auf einer Uhr technisch gesehen Jitter im engeren Sinne ist, sind Empfänger für diese Systeme so konzipiert, dass sie die Modulation verfolgen. Der einzige Jitter, der für einen Signalintegritätsingenieur von Interesse ist, ist Jitter, der viel schneller ist als die Modulationsrate, die der Empfänger nicht kann effektiv verfolgen.)
Referenzuhr
Bei einigen Protokollen wie HDMI wird zusammen mit dem Signal ein Referenztakt geliefert, entweder mit der Symbolrate oder mit einer niedrigeren (aber synchronisierten) Frequenz, aus der ein Symboltakt rekonstruiert werden kann. Da der tatsächliche Empfänger im System den Referenztakt verwendet, um die Daten abzutasten, ermöglicht die Verwendung dieses Takts zur Bestimmung der UI-Grenzen dem Augenmuster eine getreue Anzeige des Signals so, wie der Empfänger es sieht: Es wird nur Jitter zwischen dem Signal und dem Referenztakt angezeigt.
Taktwiederherstellung
Die meisten seriellen Hochgeschwindigkeitssignale wie PCIe , DisplayPort und die meisten Ethernet- Varianten verwenden einen Leitungscode, der eine einfache Taktrückgewinnung mittels einer PLL ermöglichen soll . Da der eigentliche Empfänger so funktioniert, besteht der genaueste Weg zum Slicen von Daten für das Augenmuster darin, eine PLL mit denselben Eigenschaften in Software zu implementieren. Eine korrekte PLL-Konfiguration ermöglicht es dem Auge, die Auswirkungen der Spread-Spektrum-Taktung und anderer langfristiger Variationen in der Symbolrate zu verbergen, die nicht zu Fehlern am Empfänger beitragen, während immer noch höherfrequenter Jitter angezeigt wird.
Integration
Die Abtastwerte werden dann zu einem zweidimensionalen Histogramm akkumuliert , wobei die X-Achse die Zeit innerhalb der UI und die Y-Achse die Spannung repräsentiert. Dies wird dann normalisiert, indem der Wert in jedem Histogramm-Bin durch den Wert in dem größten Bin dividiert wird. Tone-Mapping , logarithmische Skalierung oder andere mathematische Transformationen können angewendet werden, um verschiedene Teile der Verteilung hervorzuheben, und ein Farbgradient wird zur Anzeige auf das endgültige Auge angewendet.
Es können große Datenmengen erforderlich sein, um eine genaue Darstellung des Signals bereitzustellen; Für ein einzelnes Augenmuster werden häufig Dutzende bis Hunderte Millionen von Benutzeroberflächen verwendet. Im folgenden Beispiel zeigt das Auge mit zwölftausend UIs nur die Grundform des Auges, während das Auge mit acht Millionen UIs viel mehr Nuancen an den steigenden und fallenden Flanken zeigt.
Augenmuster von zwölftausend UIs eines 1,25-Gbit/s-Signals
Augenmuster von acht Millionen UIs eines 1,25-Gbit/s-Signals
Modulation
Jede Form der Basisbandmodulation erzeugt ein Augenmuster mit einem einzigartigen Aussehen.
NRZ
Das Augenmuster eines NRZ- Signals sollte aus zwei klar unterschiedlichen Ebenen mit sanften Übergängen bestehen.
MLT-3
Das Augenmuster eines MLT-3- Signals sollte aus drei klar unterschiedlichen Stufen bestehen (nominell -1, 0, +1 von unten nach oben). Der 0-Pegel sollte bei null Volt liegen und die Gesamtform sollte symmetrisch zur horizontalen Achse sein. Die Zustände +1 und -1 sollten die gleiche Amplitude haben. Es sollte sanfte Übergänge vom 0-Zustand in die +1- und -1-Zustände geben, jedoch sollte es keine direkten Übergänge vom -1 zum +1-Zustand geben.
PAM
Das Augenmuster eines PAM- Signals sollte aus N klar unterschiedlichen Pegeln bestehen (je nach PAM-Reihenfolge sollte beispielsweise PAM-4 vier Pegel haben). Die Gesamtform sollte symmetrisch zur horizontalen Achse sein und der Abstand aller Ebenen sollte gleichmäßig sein.
PSK
Kanaleffekte
Viele Eigenschaften eines Kanals lassen sich im Augenmuster erkennen.
Betonung
Eine auf ein Signal angewendete Anhebung erzeugt einen zusätzlichen Pegel für jeden Wert des Signals, der höher (für Pre-Emphasis) oder niedriger (für De-Emphasis) als der Nennwert ist.
Das Augenmuster für ein Signal mit Betonung kann auf den ersten Blick mit dem eines PAM-Signals verwechselt werden, bei genauerem Hinsehen werden jedoch einige wesentliche Unterschiede sichtbar. Vor allem hat ein betontes Signal eine begrenzte Anzahl von zulässigen Übergängen:
- Starker Zustand zum entsprechenden schwachen Zustand (1-1 oder 0-0 Bitmuster)
- Strong State zu entgegengesetztem Strong State (zweiter Übergang eines 1-0-1 oder 0-1-0 Bitmusters)
- Schwacher Zustand in entgegengesetzter starker Zustand (zweiter Übergang eines 1-1-0 oder 0-0-1 Bitmusters)
Ein betontes Signal geht nie von einem schwachen Zustand in den entsprechenden starken Zustand über, von einem schwachen Zustand in einen anderen schwachen Zustand oder bleibt für mehr als eine UI im gleichen starken Zustand. Ein PAM-Signal hat normalerweise auch gleich beabstandete Pegel, während betonte Pegel normalerweise näher am nominalen Signalpegel liegen.
Hochfrequenzverlust
Der Verlust von Leiterbahnen und Kabeln auf der Leiterplatte nimmt aufgrund der dielektrischen Verluste mit der Frequenz zu , wodurch sich der Kanal wie ein Tiefpassfilter verhält . Der Effekt davon ist eine Verringerung der Signalanstiegs-/Abfallzeit. Wenn die Datenrate hoch genug ist oder der Kanal verlustreich genug ist, kann das Signal während eines schnellen 0-1-0- oder 1-0-1-Übergangs nicht einmal seinen vollen Wert erreichen und sich erst nach einem Durchlauf mehrerer identischer Bits stabilisieren. Dies führt zu einem vertikalen Verschluss des Auges.
Das Bild unten zeigt ein 1,25-Gbit/s-NRZ-Signal nach dem Durchgang durch einen verlustbehafteten Kanal - ein RG-188-Koaxialkabel mit einer Länge von etwa 3,65 Metern. Dieser Kanal weist einen ziemlich linearen Anstieg von 0,1 dB bei Gleichstrom auf 9 dB bei 6 GHz auf.
Die obere und untere "Schiene" des Auges zeigen die Endspannung, die das Signal nach mehreren aufeinanderfolgenden Bits mit demselben Wert erreicht. Da der Kanal bei DC nur minimale Verluste aufweist, bleibt die maximale Signalamplitude weitgehend unbeeinflusst. Wenn wir uns die steigende Flanke des Signals (ein 0-1-Muster) ansehen, können wir sehen, dass das Signal bei etwa -300 ps abflacht , aber während der Dauer der UI langsam weiter ansteigt. Bei etwa +300 ps beginnt das Signal entweder wieder zu fallen (ein 0-1-0-Muster) oder steigt langsam weiter an (ein 0-1-1-Muster).
Wenn die Hochfrequenzverluste zunehmen, verschlechtert sich die Gesamtform des Auges allmählich in eine Sinuskurve (sobald die höherfrequenten Harmonischen der Daten eliminiert wurden, bleibt nur die Grundwelle übrig) und die Amplitude nimmt ab.
Impedanz-Fehlanpassungen
Stubs, Impedanzfehlanpassungen und andere Defekte in einer Übertragungsleitung können Reflexionen verursachen , die als Defekte in den Kanten des Signals sichtbar sind. Reflexionen mit einer Verzögerung von mehr als einer UI machen das Auge aufgrund von ISI oft völlig unlesbar , jedoch können diejenigen mit einer kürzeren Verzögerung leicht in der Form des Auges gesehen werden.
In der Abbildung unten befindet sich in der Leitung eine etwa 25,4 mm große offene Stichleitung, die einen anfänglichen niederohmigen Effekt (verringerte Amplitude) verursacht, gefolgt von einer positiven Reflexion vom Ende der Stichleitung mit einer Verzögerung von etwa 320 ps oder 0,4 UIs. Dies ist deutlich als "Schritt" in der ansteigenden Flanke zu sehen, bei dem das Signal auf einen Bruchteil des vollen Wertes ansteigt, sich für die Roundtrip-Verzögerung der Stichleitung einpendelt und dann auf seinen vollen Wert ansteigt, wenn die Reflexion ankommt.
In der Abbildung unten werden am Ende desselben Stubs zusätzliche 3 Zoll Kabel hinzugefügt. Der gleiche "Schritt" ist vorhanden, aber jetzt viermal so lang und erzeugt Reflexionen bei etwa 1280 ps oder 1,6 UI. Dies erzeugt einen extremen ISI (da die Reflexion jeder Benutzeroberfläche während der nachfolgenden Benutzeroberfläche eintrifft), die das Auge vollständig schließt.
Messungen
Es gibt viele Messungen, die aus einem Augendiagramm gewonnen werden können:
Amplitudenmessungen
- Augenamplitude
- Augenkreuzungsamplitude
- Augenkreuzungsprozentsatz
- Augenhöhe
- Augenhöhe
- Signal-Rausch-Verhältnis des Auges
- Qualitätsfaktor
- Vertikale Augenöffnung
Zeitmessungen
- Deterministischer Jitter
- Augenüberschreitungszeit
- Augenverzögerung
- Augenfallzeit
- Augenaufstiegszeit
- Augenbreite
- Horizontale Augenöffnung
- Spitze-zu-Spitze-Jitter
- Zufälliger Jitter
- RMS-Jitter
- CRC-Jitter
- Gesamtjitter
Messwerte interpretieren
| Augendiagrammfunktion | Was es misst |
|---|---|
| Augenöffnung (Höhe, Spitze zu Spitze) | Additives Rauschen im Signal |
| Auge über-/unterschwingen | Verzerrung durch Unterbrechungen im Signalweg |
| Augenbreite | Timing-Synchronisierung & Jitter- Effekte |
| Augenverschluss | Intersymbolinterferenz, additives Rauschen |
Siehe auch
Anmerkungen
Verweise
- "HP E4543A Q-Faktor- und Augenkontur-Anwendungssoftware-Bedienungsanleitung" (PDF) . 1999.
- "Agilent 71501D Eye-Diagram Analysis Benutzerhandbuch" (PDF) .
Externe Links
- Rückerbauer, Hermann. "Ein Auge ist geboren" . Gibt ein Beispielvideo zur Konstruktion eines Augenmusters
- Verständnis der Data-Eye-Diagramm-Methodik zur Analyse von digitalen Hochgeschwindigkeitssignalen