Wykorzystanie wykresu oczkowego w analizie parametrów transmisji cyfrowej

Coraz większa prędkość transmisji danych w systemach cyfrowych oraz rosnąca złożoność tych systemów mogą stanowić duże wyzwanie dla ich konstruktorów. Tor transmisyjny musi być zaprojektowany z możliwie największą starannością, zaś potencjalne źródła błędów i zakłóceń powinny być wykrywane i eliminowane na jak najwcześniejszym etapie prac.

Wysoka częstotliwość pracy nowoczesnych interfejsów cyfrowych (wyrażana zazwyczaj w GHz) sprzyja kłopotom z integralnością sygnałową. Do potencjalnych źródeł tego typu problemów zaliczyć można m.in. nieodpowiednie parametry linii transmisyjnej, niedopasowanie impedancji między nadajnikiem a odbiornikiem, błędne poprowadzenie ścieżek oraz źle zaprojektowany obwód masy.

Korzystając z wytworzonego na ekranie oscyloskopu diagramu oczkowego, można ocenić jakość systemu oraz zidentyfikować parametry kanału transmisyjnego mogące być przyczyną błędów w transmisji.

Przystępując do analizy transmisji cyfrowej za pomocą wykresu oczkowego, należy mieć świadomość, że znaczący wpływ na kształt tego wykresu ma miejsce, gdzie przyłożona zostanie sonda oscyloskopu. Sygnał cyfrowy w kanale transmisyjnym od nadajnika do odbiornika ulega stopniowej degradacji.

Każdy pasywny element toru transmisyjnego (np. ścieżka obwodu, złącza, przewody) powoduje pogorszenie jakości sygnału, zarówno pod względem amplitudy, jak i zależności czasowych. Sygnał może być również zakłócany przez źródła zewnętrzne względem toru transmisyjnego, jak np. przesłuchy z sąsiednich ścieżek lub wyprowadzeń.

Jak powstaje wykres oczkowy?

 

Rys. 1. Wykres oczkowy konstruuje się z nałożonych na siebie przebiegów przedstawiających pojedyncze impulsy cyfrowe

Wykres oczkowy (eye diagram) powstaje przez nałożenie na siebie na ekranie oscyloskopu wszystkich przebiegów zawierających odebrane sekwencje danych cyfrowych (podstawa czasu wyzwalana jest zegarowym sygnałem synchronizacji), które tworzą charakterystyczny kształt otwartego oka.

Wykres ten jest powszechnie stosowanym wskaźnikiem oceny jakości transmisji cyfrowej. Pionowa oś tego wykresu reprezentuje amplitudę sygnału (napięcie elektryczne), zaś oś pozioma to linia czasu. Na rysunku 1 przedstawiono uproszczoną konstrukcję wykresu oczkowego zbudowanego z czterech różnych kombinacji bitowych.

 

Rys. 2. Teoretyczny wykres oczkowy dla idealnego sygnału cyfrowego

W idealnym przypadku, przy nieskończenie krótkim czasie przełączania pomiędzy stanami logicznymi, wykres oczkowy miałby kształt prostokąta, tak jak na rysunku 2. Nie pozwoliłoby to na odczytanie z niego zbyt wielu użytecznych informacji poza czasem trwania jednego bitu.

W rzeczywistości niedoskonałe parametry elektryczne linii transmisyjnej oraz układów cyfrowych powodują, że czas przełączania jest zawsze niezerowy, co nadaje wykresowi kształt oka, zniekształcany dodatkowo przez oddziałujące na sygnał zakłócenia. Przykładowy wygląd rzeczywistego wykresu oczkowego przedstawiono na rysunku 3.

Do wygenerowania prawidłowego wykresu oczkowego niezbędna jest synchronizacja pracy oscyloskopu z sygnałem cyfrowym. Można do tego celu wykorzystać dodatkową linię zegarową, tak jak na rysunku 4.

Interpretacja wykresu oczkowego

 

Rys. 3. Przykładowy wykres oczkowy dla rzeczywistego sygnału

Rysunek 5 przedstawia opisany wykres oczkowy, na który zaznaczono zmierzone parametry transmisji cyfrowej. Wykres oczkowy jest w dużej mierze narzędziem statystycznym, zatem aby uzyskane wyniki mogły zostać uznane za wiarygodne, muszą pochodzić od odpowiednio licznej oraz reprezentatywnej próby.

Dlatego ważne jest, aby do konstrukcji wykresu wykorzystać jak największą liczbę zróżnicowanych sekwencji bitowych. Poniżej opisano znaczenie i sposób odczytywania z wykresu podstawowych parametrów sygnału.

Wysoki i niski poziom logiczny. Wartość napięcia obu poziomów logicznych uśrednia się dla wszystkich zarejestrowanych impulsów. Zazwyczaj określa się ją na podstawie próbek stanowiących środkowe 20% szerokości oka. Miarą jakości sygnału może być również odchylenie standardowe wartości tych próbek - im wyższe, tym mniejsza stabilność napięcia poziomów logicznych.

 

Rys. 4. Przykład konfi guracji środowiska testowego pozwalającego na uzyskanie wykresu oczkowego

Amplituda sygnału. Amplituda sygnału to różnica pomiędzy wartością wysokiego i niskiego stanu logicznego. Im wyższa amplituda, tym większa odporność sygnału na zakłócenia, jednocześnie zaś mniejsze ryzyko błędnej interpretacji wartości bitu przed odbiornik.

Wysokość oka. Różnicę między najniższą zarejestrowaną wartością stanu wysokiego a najwyższą wartością stanu niskiego w punkcie próbkowania określa się jako wysokość oka. W idealnym przypadku wysokość oka powinna być równa amplitudzie sygnału, jednak szumy i zakłócenia powodują "zamykanie się" oka, czyli zmniejszanie jego wysokości. Dzięki temu wysokość oka można wykorzystać do oszacowania mocy szumów, pośrednio zaś również do określenia współczynnika stosunku sygnału do szumu.

Przecięcie wykresu. Wykreślenie obszaru, w którym znajdują się punkty wzajemnego przecięcia linii oka (zbocza narastającego i opadającego), pozwala wyznaczyć kilka parametrów. Jednym z nich jest poziom progu decyzyjnego, czyli środkowy punkt tego obszaru w osi pionowej. Procentową wartość tego parametru oblicza się za pomocą wzoru przedstawionego w ramce.

 

Rys. 5. Wykres oczkowy z zaznaczonymi wielkościami charakterystycznymi

Procentowa wartość progu decyzyjnego pozwala ocenić stopień symetrii kształtu impulsu oraz wykryć ewentualne zniekształcenia jego przebiegu. Optymalna wartość tego parametru to 50%, odchylenia od tej wartości informują o różnicy w czasach przełączania pomiędzy stanami logicznymi, czyli o tym, że przejście ze stanu wysokiego do niskiego jest szybsze/wolniejsze od przejścia ze stanu niskiego do wysokiego. Rezultatem takich odchyleń jest zamykanie się oka, czyli ogólne obniżenie jakości sygnału.

Szerokość oka. Odstęp czasowy pomiędzy dwoma punktami krzyżowania się oka określa się jako szerokość oka, które jest jednocześnie czasem trwania jednego bitu. W szybkiej transmisji cyfrowej długość bitu mierzy się zazwyczaj w pikosekundach (ps) - przykładowo, przy transmisji z szybkością 5 Gb/s długość jednego bitu wynosi 200 ps. Szerokość oka to przedział czasu, w którym sygnał może być próbkowany bez ryzyka wystąpienia błędnego odczytu jego wartości.

Czas narastania/opadania. Nachylenie wykresu oczkowego proporcjonalne jest do czasu narastania/opadania sygnału, który określa się zazwyczaj jako czas narastania (opadania) od 20 do 80% maksymalnej wartości sygnału. Różnica między czasem opadania a narastania sygnału powoduje przesunięcie punktu przecięcia wykresu. Nachylenie wykresu informuje o odporności systemu na błędy czasowe - im krótszy czas przełączania pomiędzy stanami, tym ta odporność jest wyższa.

 

Rys. 6. Wykres oczkowy z naniesionym szablonem diagnostycznym

Jitter. W przypadku szybkich sygnałów cyfrowych jednym z najbardziej znaczących parametrów jest jitter. Wyróżnia się jitter losowy i deterministyczny. Jitter losowy to szerokopasmowy proces stochastyczny (charakteryzujący się rozkładem normalnym), określany niekiedy jako szum wewnętrzny, zawsze obecny we wszystkich układach elektronicznych. Jitter deterministyczny wywołany jest przez konkretną przyczynę, np. przesłuchy pochodzące od innych sygnałów.

W przypadku cyfrowej transmisji danych najbardziej dotkliwym przejawem działania jitteru jest fluktuacja fazy sygnału skutkująca przesunięciem czasu rozpoczęcia kolejnych impulsów. Może to prowadzić do utraty synchronizacji linii z sygnałem zegarowym.

Na wykresie oczkowym jitter widoczny jest przede wszystkim na zboczach sygnału. Jego wartość określić można na podstawie analizy histogramu czasu rozpoczęcia lub zakończenia impulsu. Jitter międzyszczytowy (peak-to-peak jitter) definiowany jest jako różnica pomiędzy dwoma skrajnymi wartościami rozkładu (najwcześniejszym i najpóźniejszym czasem rozpoczęcia impulsu) dla wszystkich danych pomiarowych, zaś jitter średniokwadratowy (RMS jitter) to odchylenie standardowe tego rozkładu.

Testowanie z wykorzystaniem szablonów

Wiele standardów komunikacji cyfrowej zawiera szablony (maski) dla wykresu oczkowego, które umożliwiają przeprowadzenie szybkiego testu jakości transmisji. Jak pokazano na rysunku 6, szablon taki nakłada się na uzyskany na ekranie oscyloskopu obraz wykresu. Jeśli żaden z punktów wykresu nie znajduje się w wydzielonym obszarze szablonu, jakość transmisji można uznać za zadowalającą.

Szablon składa się zazwyczaj z trzech obszarów. Obszary górny i dolny określają maksymalną oraz minimalną amplitudę sygnału, zaś obszar środkowy ("wnętrze" oka) definiuje minimalny czas trwania impulsu oraz dopuszczalną różnicę amplitudy pomiędzy odmiennymi poziomami logicznymi.

Podsumowanie

Wykres oczkowy to narzędzie, które pozwala w szybki sposób sprawdzić jakość transmisji cyfrowej oraz zidentyfikować problemy z integralnością sygnałową (szczególnie w połączeniu z innymi badaniami, jak np. pomiarem elementowej stopy błędów BER). Należy mieć jednak świadomość, że za jego pomocą nie można wykryć błędów związanych z samym protokołem komunikacyjnym, czyli np. przesłanie nieprawidłowej sekwencji bitów przez nadajnik.

Damian Tomaszewski