Глазковые диаграммы инструмент для анализа серийных данных

Глазковая диаграмма — это способ графического представления последовательных цифровых сигналов для анализа. Диаграмма показывает эффекты зашумления сигнала, горизонтального джиттера, искажения рабочего цикла, межсимвольных помех и перекрестных помех, которые могут закрыть «глаз». В то время как инженеры десятилетиями использовали глазковые диаграммы, в осциллографы постоянно добавляются новые функции, повышающие их ценность.

Осциллографы формируют глазковые диаграммы — разделение между двумя состояниями двоичных данных «1» и «0» — путем наложения нескольких одиночных тактовых периодов на постоянное отображение (см. Рис. 1).

Рис. 1. Глазковая диаграмма отображает несколько битов данных с длительностью немного большей, чем период одного бита. Нижняя кривая представляет собой глазковую диаграмму для потока данных с тактовой частотой 5 ГГц. Длительность глазковой диаграммы составляет 268 пс, что примерно на 34 % больше, чем период тактового сигнала 200 пс, что позволяет одновременно видеть два соседних глазковых пересечения.

Нижняя кривая представляет собой глазковую диаграмму для потока последовательных данных с тактовой частотой 5 ГГц, а верхняя кривая показывает полученный сигнал во временной области. Расширенный горизонтально вид показан на второй трассе сверху. Выделенные цветом элементы трасс накладываются друг на друга, демонстрируя как формируется глаз. На глазковой диаграмме, использующей статическое отображение (нижняя кривая), показаны множественные наложения состояний данных; в этом примере глаз содержит 97 000 бит последовательных данных. Форма глаза позволяет дать оценку качества последовательного канала передачи данных. Чем больше площадь раскрытия глаза, тем лучше целостность сигнала канала.

Аддитивный шум имеет тенденцию «закрывать» глаз по вертикали, в то время как дрожание синхронизации и неопределенность «закрывают» глаз по горизонтали. Искажение рабочего цикла (DCD) и межсимвольные помехи (ISI) изменяют форму глаза. Канал выйдет из строя, если глаз закроется до точки, в которой приемник больше не сможет распознавать состояния «0» и «1».

Во времена аналоговых осциллографов глазковая диаграмма формировалась путем запуска осциллографа с синхронизацией последовательных данных и сбора нескольких битов с течением времени. Применение данного метода добавляет неопределенность запуска или дрожание запуска к глазковой диаграмме для каждого цикла сбора данных. Цифровые осциллографы формируют глазковую диаграмму, получая очень длинную запись с большим количеством последовательных битов. Определяется тактовый период, и сигнал разбивается или «нарезается» на несколько однобитовых групп данных, наложенных на статическое изображение накопленных данных.

Рис. 2. Основные параметры измерения, связанные с глазковыми диаграммами, включают период битов, нулевой уровень, единичный уровень, амплитуду глазка, высоту глаза, ширину глаза и пересечение глаз.

Параметры измерения глаза основаны на статистическом анализе нескольких измерений.

Нулевой уровень: среднее значение логического нуля глазковой диаграммы.

Единичный уровень: Среднее значение уровня логической единицы глазковой диаграммы.

Битовый период: разница во времени между средними значениями двух соседних точек пересечения.

Амплитуда глаза: разница между средним значением одного уровня и средним значением нулевого уровня. Обычно его измеряют около центра глаза.

Высота глаз: это измерение вертикального раскрытия глаз; в основном, определение отношения сигнал-шум, начиная с разности среднего значения единичного уровня и среднего нулевого уровня, затем вычитая стандартные отклонения нулевого и единичного уровней.

Ширина глаза: Ширина глаза дает представление об общем горизонтальном джиттере сигнала. Как и высота глаза, измерение ширины носит статистический характер. Горизонтальные гистограммы двух соседних точек пересечения используются для нахождения среднего значения и стандартного отклонения времени пересечения. Стандартное отклонение каждого распределения вычитается из разницы двух средних значений.

Пересечение глаз: Пересечение глаз — это точка амплитуды, в которой переходы от нуля к единице и от одного к нулю достигают одинаковой амплитуды — точка пересечения восходящего и спадающего фронтов. Пересечение глаз выражается в процентах от общей амплитуды глаза. Идеальный глаз будет иметь пересечения на 50% амплитуды.

Используя гистограмму ключевых элементов глазковой диаграммы, вы можете выполнить статистический анализ. Один из методов заключается в использовании множественном наложении гистограмм, сформированной путем подсчета пикселей в тонкой полосе на карте наложений, как показано на рисунке 3. Для расчета ширины глаза формируется гистограмма персистентности путем подсчета пикселей в тонкой горизонтальной полосе, проходящей через точки пересечения глаз, отмеченные на рисунке пунктирной линией. Осциллограф находит среднее значение и стандартное отклонение обоих пересечений. Битовый период представляет собой разницу между средними значениями. Ширина глаза рассчитывается путем вычитания обоих стандартных отклонений из битового периода.

Рис. 3. Используйте гистограмму горизонтального послесвечения для расчета битового периода и ширины глаза на основе среднего и стандартного отклонения гистограмм. Гистограммы формируются путем подсчета пикселей на тонкой горизонтальной полосе, проходящей через точки пересечения глазковой диаграммы.

Точно так же осциллограф получает нулевой уровень, единичный уровень, амплитуду глазка и высоту глазка из гистограммы послесвечения вертикального среза через самое большое вертикальное отверстие в глазке (Рис. 4).

Рис. 4. Гистограмма наложения вертикального среза через самую большую часть отверстия глаза используется для расчета нулевого уровня, единичного уровня, амплитуды и высоты глаза.

Маски для глазковой диаграммы

Глазковые диаграммы могут быть основой автоматизированного тестирования «годен — не годен». Используя маску для глаз, чтобы гарантировать, что глаз имеет достаточное открытие и что превышение или недорегулирование не выходит за пределы спецификации, осциллограф может проверить правильность работы (Рис. 5).

Рис. 5. Маска для глаз используется для проверки того, что раскрытие глаза и общая амплитуда сигнала достаточны для правильной работы. Операция тестирования автоматизирована, чтобы максимизировать производительность тестирования.

В этом случае маска для глаз состоит из трапециевидной внутренней маски для проверки раскрытия глаза и внешних контуров, чтобы гарантировать, что превышение или занижение сигнала не превысит испытательные пределы. В то время как маска обеспечивает очевидное визуальное подтверждение правильной работы, операция также может быть автоматизирована. Большинство осциллографов среднего и более высокого уровня предлагают тестирование по маске, но тесты на соответствие для конкретных приложений включают более специализированное тестирование по маске с использованием масок, специфичных для последовательных стандартов, таких как Ethernet или PCIe.

На глазковой диаграмме показаны эффекты как амплитудных, так и временных вариаций. Но отображается только качество передачи по количеству битов, содержащихся в истории наложений. Современное программное обеспечение для анализа последовательных данных может экстраполировать полученные данные и показывать раскрытие глаз для более низких коэффициентов битовых ошибок (BER), чем поддерживается фактическими полученными данными. На рис. 6 показана глазковая диаграмма с наложенным графиком IsoBER. Его также можно назвать контурным графиком BER.

Рис. 6. Глазковая диаграмма с наложенным IsoBER дает изолинии постоянных коэффициентов битовых ошибок. В этом примере показано экстраполированное раскрытие глаза для BER от 1E-6 до 1E-12.

IsoBER, название, состоящее из префикса Iso, что означает «то же самое», и суффикса BER, представляет собой контурную карту, показывающую линии с постоянным коэффициентом битовых ошибок. BER — это количество обнаруженных битовых ошибок, деленное на общее количество переданных битов. Отношение является безразмерным и выражается в данном приложении как простое отношение. Внешний контур на рисунке представляет BER 1E-6, что представляет собой одну битовую ошибку на каждый миллион отправленных битов. BER уменьшается на один порядок для каждого контура. Самый внутренний контур представляет собой BER 1E-12. Когда BER уменьшается, количество задействованных битов увеличивается, и глаз стремится закрыться. Диапазон значений BER и приращение программируются пользователем, что позволяет настроить отображение.

Графики IsoBER позволяют визуализировать как изменения амплитуды, такие как шум и перекрестные помехи, так и связанные со временем ошибки, такие как джиттер. Графики IsoBER, как правило, более чувствительны к дефектам амплитуды, которые возникают с низкой вероятностью, например к перекрестным помехам.

Глазковая диаграмма — мощный инструмент для анализа последовательных данных. От базовой качественной визуализации до более количественных инструментов исследования с использованием параметров глаза и тестирования по маске и, наконец, до возможностей прогнозирования с использованием контуров IsoBER.

Источник: www.edn.com