Patrón de ojos
En telecomunicaciones , un patrón de ojo , también conocido como diagrama de ojo , es una pantalla de osciloscopio en la que una señal digital de un receptor se muestrea repetidamente y se aplica a la entrada vertical, mientras que la velocidad de datos se usa para activar el barrido horizontal. Se llama así porque, para varios tipos de codificación, el patrón parece una serie de ojos entre un par de rieles. Es una herramienta para la evaluación de los efectos combinados del ruido de canal, la dispersión y la interferencia entre símbolos en el rendimiento de un sistema de transmisión de impulsos de banda base. La técnica se utilizó por primera vez con el sistema de transmisión de voz segura SIGSALY de la Segunda Guerra Mundial .
Desde una perspectiva matemática, un patrón de ojo es una visualización de la función de densidad de probabilidad (PDF) de la señal, módulo del intervalo unitario (UI). En otras palabras, muestra la probabilidad de que la señal esté en cada voltaje posible durante la duración de la interfaz de usuario. Normalmente, se aplica una rampa de color al PDF para facilitar la visualización de pequeñas diferencias de brillo.
Se pueden derivar varias medidas de rendimiento del sistema analizando la pantalla. Si las señales son demasiado largas, demasiado cortas, mal sincronizadas con el reloj del sistema, demasiado altas, demasiado bajas, demasiado ruidosas o demasiado lentas para cambiar, o tienen demasiado sobreimpulso o sobreimpulso , esto se puede observar en el diagrama de ojo. Un patrón de ojo abierto corresponde a una distorsión mínima de la señal . La distorsión de la forma de onda de la señal debido a la interferencia entre símbolos y el ruido aparece como cierre del patrón del ojo. [1] [2] [3]
Cálculo
Datos fuente
El primer paso para calcular un patrón de ojo es normalmente obtener la forma de onda que se analiza en una forma cuantificada. Esto se puede hacer midiendo un sistema eléctrico real con un osciloscopio de ancho de banda suficiente o creando datos sintéticos con un simulador de circuito para evaluar la integridad de la señal de un diseño propuesto. También se puede utilizar una combinación de los dos enfoques: simular los efectos de un circuito arbitrario o una línea de transmisión en una señal medida, quizás para determinar si una señal seguirá siendo inteligible después de pasar a través de un cable largo. Interpolación También se puede aplicar en este momento para aumentar el número de muestras por UI y producir un gráfico suave y sin espacios que sea más atractivo visualmente y más fácil de entender.
Rebanar
A continuación, se debe determinar la posición de cada muestra dentro de la interfaz de usuario. Existen varios métodos para hacer esto dependiendo de las características de la señal y las capacidades del osciloscopio y el software en uso. Este paso es de vital importancia para una visualización precisa de la fluctuación en el ojo.
Activando
Un método muy simple de corte es configurar la pantalla del osciloscopio para que tenga un poco más de una IU de ancho, disparar tanto en los bordes ascendentes como descendentes de la señal y habilitar la persistencia de la pantalla para que todas las formas de onda medidas se "apilen" en un solo gráfico. Esto tiene la ventaja de ser posible en casi cualquier osciloscopio (incluso en los totalmente analógicos) y puede proporcionar una visualización decente del ruido y la forma general de la señal, pero destruye por completo el contenido de fluctuación de la señal, ya que el disparador del instrumento vuelve a sincronizar el gráfico con cada interfaz de usuario. . La única fluctuación visible con este método es la del propio osciloscopio, así como la fluctuación de frecuencia extremadamente alta (frecuencias con un período menor que la IU).
Tipo de interés fijo
Una forma sencilla de hacer que el patrón de ojo muestre la fluctuación en la señal es estimar la velocidad de símbolo de la señal (tal vez contando el número promedio de cruces por cero en una ventana de tiempo conocida) y adquiriendo muchas UI en una sola captura de osciloscopio. El primer cruce por cero en la captura se ubica y se declara como el inicio de la primera IU, y el resto de la forma de onda se divide en fragmentos de una IU de largo.
Este enfoque puede funcionar adecuadamente para señales estables en las que la velocidad de símbolo permanece exactamente igual a lo largo del tiempo; sin embargo, las inexactitudes en el sistema significan que es inevitable cierta desviación, por lo que rara vez se usa en la práctica. En algunos protocolos, como SATA , la velocidad de símbolo se varía intencionalmente mediante el uso de reloj de espectro ensanchado , por lo que asumir una velocidad fija hará que el ojo exagere enormemente la fluctuación real presente en la señal. (Si bien la modulación de espectro ensanchado en un reloj es técnicamente jitter en sentido estricto, los receptores de estos sistemas están diseñados para rastrear la modulación. El único jitter de interés para un ingeniero de integridad de señal es un jitter mucho más rápido que la velocidad de modulación, que el receptor no puede rastrear de manera efectiva.)
Reloj de referencia
Con algunos protocolos, como HDMI , se suministra un reloj de referencia junto con la señal, ya sea a la velocidad de símbolo o a una frecuencia más baja (pero sincronizada) a partir de la cual se puede reconstruir un reloj de símbolo. Dado que el receptor real del sistema utiliza el reloj de referencia para muestrear los datos, el uso de este reloj para determinar los límites de la interfaz de usuario permite que el patrón visual muestre fielmente la señal tal como la ve el receptor: solo se muestra la fluctuación entre la señal y el reloj de referencia.
Recuperación del reloj
La mayoría de las señales seriales de alta velocidad, como PCIe , DisplayPort y la mayoría de las variantes de Ethernet , utilizan un código de línea destinado a permitir una fácil recuperación del reloj mediante un PLL . Dado que así es como funciona el receptor real, la forma más precisa de dividir los datos para el patrón del ojo es implementar un PLL con las mismas características en el software. La configuración correcta de PLL permite que el ojo oculte los efectos del reloj de espectro ensanchado y otras variaciones a largo plazo en la velocidad de símbolo que no contribuyen a errores en el receptor, mientras siguen mostrando fluctuaciones de frecuencia más altas.
Integración
Luego, las muestras se acumulan en un histograma bidimensional , en el que el eje X representa el tiempo dentro de la interfaz de usuario y el eje Y representa el voltaje. Luego, esto se normaliza dividiendo el valor en cada intervalo de histograma por el valor en el intervalo más grande. Se puede aplicar mapeo de tonos , escalado logarítmico u otras transformaciones matemáticas para enfatizar diferentes partes de la distribución, y se aplica un degradado de color al ojo final para su visualización.
Es posible que se necesiten grandes cantidades de datos para proporcionar una representación precisa de la señal; decenas a cientos de millones de IU se utilizan con frecuencia para un patrón de ojo único. En el siguiente ejemplo, el ojo que usa doce mil UI solo muestra la forma básica del ojo, mientras que el ojo que usa ocho millones de UI muestra muchos más matices en los bordes ascendentes y descendentes.
Patrón de ojo de doce mil UI de una señal de 1,25 Gbit / s
Patrón de ojo de ocho millones de UI de una señal de 1,25 Gbit / s
Modulación
Cada forma de modulación de banda base produce un patrón de ojos con una apariencia única.
NRZ
El patrón visual de una señal NRZ debe constar de dos niveles claramente distintos con transiciones suaves entre ellos.
MLT-3
El patrón visual de una señal MLT-3 debe constar de tres niveles claramente distintos (nominalmente -1, 0, +1 de abajo hacia arriba). El nivel 0 debe ubicarse a cero voltios y la forma general debe ser simétrica con respecto al eje horizontal. Los estados +1 y -1 deben tener la misma amplitud. Debería haber transiciones suaves del estado 0 a los estados +1 y -1, sin embargo, no debería haber transiciones directas del estado -1 a +1.
PAM
El patrón de ojo de una señal PAM debe constar de N niveles claramente distintos (dependiendo del orden de PAM, por ejemplo, PAM-4 debe tener cuatro niveles). La forma general debe ser simétrica con respecto al eje horizontal y el espaciado de todos los niveles debe ser uniforme.
PSK
Efectos de canal
Se pueden ver muchas propiedades de un canal en el patrón del ojo.
Énfasis
El énfasis aplicado a una señal produce un nivel adicional para cada valor de la señal que es más alto (para preacentuación) o más bajo (para desacentuación) que el valor nominal.
El patrón de ojo de una señal con énfasis puede confundirse con el de una señal PAM a primera vista, sin embargo, una inspección más cercana revela algunas diferencias clave. En particular, una señal enfatizada tiene un conjunto limitado de transiciones legales:
- Estado fuerte al estado débil correspondiente (patrón de bits 1-1 o 0-0)
- Estado fuerte a estado fuerte opuesto (segunda transición de un patrón de bits 1-0-1 o 0-1-0)
- Estado débil al estado fuerte opuesto (segunda transición de un patrón de bits 1-1-0 o 0-0-1)
Una señal enfatizada nunca pasará de un estado débil al estado fuerte correspondiente, de un estado débil a otro estado débil, o permanecerá en el mismo estado fuerte durante más de una interfaz de usuario. Una señal PAM también tiene normalmente niveles igualmente espaciados, mientras que los niveles enfatizados suelen estar más cerca del nivel de señal nominal.
Pérdida de alta frecuencia
La pérdida de trazas y cables de la placa de circuito impreso aumenta con la frecuencia debido a la pérdida dieléctrica , lo que hace que el canal se comporte como un filtro de paso bajo . El efecto de esto es un aumento en el tiempo de subida / bajada de la señal. Si la velocidad de datos es lo suficientemente alta o el canal tiene pérdidas suficientes, es posible que la señal ni siquiera alcance su valor total durante una transición rápida 0-1-0 o 1-0-1, y solo se estabilice después de una ejecución de varios bits idénticos. Esto da como resultado un cierre vertical del ojo.
La siguiente imagen muestra una señal NRZ de 1,25 Gbit / s después de pasar por un canal con pérdida: un cable coaxial RG-188 de aproximadamente 3,65 metros (12 pies) de longitud. Este canal tiene pérdidas que aumentan de forma bastante lineal desde 0,1 dB en CC hasta 9 dB a 6 GHz.
Los "rieles" superior e inferior del ojo muestran el voltaje final que alcanza la señal después de varios bits consecutivos con el mismo valor. Dado que el canal tiene una pérdida mínima en CC, la amplitud máxima de la señal no se ve afectada en gran medida. Al observar el borde ascendente de la señal (un patrón 0-1), podemos ver que la señal comienza a estabilizarse alrededor de -300 ps , pero continúa aumentando lentamente durante la duración de la interfaz de usuario. Alrededor de +300 ps, la señal comienza a caer nuevamente (un patrón 0-1-0) o continúa aumentando lentamente (un patrón 0-1-1).
A medida que aumentan las pérdidas de alta frecuencia, la forma general del ojo se degrada gradualmente a una sinusoide (una vez que se han eliminado los armónicos de frecuencia más alta de los datos, todo lo que queda es el fundamental) y disminuye en amplitud.
Desajustes de impedancia
Los stubs, los desajustes de impedancia y otros defectos en una línea de transmisión pueden causar reflejos visibles como defectos en los bordes de la señal. Los reflejos con un retraso mayor que una IU a menudo hacen que el ojo sea completamente ilegible debido a la interferencia entre símbolos (ISI) , sin embargo, aquellos con un retraso más corto pueden verse fácilmente en la forma del ojo.
En la imagen de abajo, un talón de circuito abierto de aproximadamente una pulgada (25,4 mm) está presente en la línea, lo que provoca un efecto inicial de baja impedancia (amplitud reducida) seguido de una reflexión positiva desde el extremo del talón con un retraso de aproximadamente 320 ps o 0,4 UI. Esto puede verse claramente como un "paso" en el flanco ascendente en el que la señal se eleva a una fracción del valor total, se nivela para el retardo de ida y vuelta del stub y luego aumenta a su valor total cuando llega la reflexión.
En la imagen de abajo, se agregan tres pulgadas adicionales de cable al final del mismo trozo. El mismo "paso" está presente, pero ahora es cuatro veces más largo, produciendo reflejos a aproximadamente 1280 ps o 1.6 UI. Esto produce un ISI extremo (ya que el reflejo de cada UI llega durante la UI posterior) que cierra completamente los ojos.
Mediciones
Hay muchas medidas que se pueden obtener de un diagrama de ojo: [4]
Medidas de amplitud
- Amplitud del ojo
- Amplitud de cruce de ojos
- Porcentaje de cruce de ojos
- Altura de los ojos
- Altura de los ojos
- Relación señal / ruido ocular
- Factor de calidad
- Apertura de ojos vertical
Medidas de tiempo
- Jitter determinista
- Tiempo de cruce de ojos
- Retraso ocular
- Tiempo de caída del ojo
- Tiempo de levantamiento de ojos
- Ancho de ojos
- Apertura de ojos horizontal
- Fluctuación de pico a pico
- Jitter aleatorio
- Fluctuación RMS
- Fluctuación de CRC
- Jitter total
Interpretación de medidas
| Característica de diagrama de ojos | Lo que mide |
|---|---|
| Apertura de ojos (altura, pico a pico) | Ruido aditivo en la señal |
| Ojo sobreimpulso / suboscilación | distorsión debida a interrupciones en la ruta de la señal |
| Ancho de ojos | Sincronización de tiempo y efectos de jitter |
| Cierre de ojos | Interferencia entre símbolos, ruido aditivo |
Ver también
- Diagrama de constelación
- Integridad de la señal
- Filtro de coseno elevado
- Relación de extinción
Notas
- ^ Christopher M. Miller "Caracterización del transmisor digital de alta velocidad mediante análisis de diagrama de ojo". 1266 Hewlett-Packard Journal 45 (1994) agosto, No, 4 , págs. 29-37.
- ^
Este artículo incorpora material de dominio público del documento de la Administración de servicios generales : "Estándar federal 1037C" .(en apoyo de MIL-STD-188 ) - ^ John G Proakis, Comunicaciones digitales 3ra ed, 2001
- ^ "Descripción del archivo de ayuda de Matlab sobre cómo utilizar las funciones del diagrama de ojos en la caja de herramientas de comunicaciones" .
Este artículo incorpora material de dominio público del documento de la Administración de servicios generales : "Estándar federal 1037C" .(en apoyo de MIL-STD-188 )Referencias
- "Manual operativo del software de aplicación HP E4543A Q Factor y Eye Contours" (PDF) . 1999.
- "Guía del usuario del análisis de diagrama de ojos Agilent 71501D" (PDF) .
enlaces externos
 | Wikimedia Commons tiene medios relacionados con diagramas de ojos . |
- Ruckerbauer, Hermann. "Ha nacido un ojo" . Da un video de ejemplo de la construcción de un patrón de ojos.
- Comprensión de la metodología de diagramas de ojo de datos para analizar señales digitales de alta velocidad
- Transmisión de datos
