?What is an Eye Diagram
ישנן דרכים רבות לאפיין ערוצים דיגיטליים במהירות גבוהה כשהמטרה היא לאמת את מדדי הסיגנל הספציפיים הממחישים תאימות לערוצים. נושאים כמו פרמטרי S וImpendence הם שמושיים אבל יש מדידה אחת חשובה שיש להעריך בתכנון דיגיטלי והיא דיאגרמת עין.
דיאגרמת עין היא מדידה או סימולציה שימושית כחלק מבדיקת תאימות לערוצים – Channels. המדידה מראה גורמים רבים שיכולים להשפיע על התנהגות האות בו-זמנית ולבסוף מאפשרים בדיקה של שגיאות והפסדים בערוץ.
במאמר זה נעבור על כמה מהמדידות הבסיסיות שתוכלו לייצר ידנית מדיאגרמת עין וכיצד הן חושפות כמה אסטרטגיות לשיפור בלוקים בעלי ערוצים זהים או בשמם – Multi-Channel Designs.
דיאגרמת עין בסימולצית Signal Integrity – מהי דיאגרמת עין?
אחת המדידות הבסיסיות המשמשות מהנדסים בתכנון ערוצים במערכת דיגיטליות היא דיאגרמת עין. זה כולל הצבת קצוות עולים ויורדים של bitstream במעקב אחרי דגימת תחום זמן כמו למשל עם oscilloscope.
בסימולצית Signal Integrity ניתן לבצע את אותו סוג של Superposition של רמות הסיגנל. על ידי "השתלבות" על/של הקצוות העולים ויורדים , ניתן לראות את רמות השונות בהתנהגות האות.
בתרשים מטה ניתן לראות דוגמה של דיאגרמת עין והיסטוגרמה של מדידות שנלקחו מרמת האות LOW בעקיבה. מהיסטוגרמה זו תוכלו להתאים את הנתונים להתפלגות נורמלית באמצעות חישובים של סטיית תקן המדגם ורמת האות הממוצעים. ההתפלגות הנורמלית המתקבלת מונחת על הנתונים הללו.
מה ניתן ללמוד מדיאגרמת עין?
הדיאגרמה מאפשרת לכמת את שפע המידע ממדידה יחידה. תוכלו לחלץ את האינפורמציה הבאה ישירות מתוך המדידה של דיאגרמת עין:
זמן ריצוד.: ניתן לראות את השונות בתחילת העלייה\נפילה ישירות מדיאגרמת עין כאשר אתם מסתכלים על signal crossing בין מעברים. זה יביא בחשבון גם רעש אקראי וגם הטיית תזמן בזוג דיפרנציאלי
וריאנטים של רמת אות: תוכלו לראות בצורה ברורה את השינויים ברמת האות. באופן כללי, זו פונקצייה של ריצוד התזמון בתוספת רעש אקראי אחר. רמות האותות עשויות להשתנות גם בהתאם לאי התאמה של impedance
זמנים ממוצעים לעליות\ירידות: זה שווה לזמן שבין זמן רמת האות הממוצעת של 90% לבין זמן רמת האות הממוצעת של 10%. זה קשור גם לתגובת הערוץ וגם לרעש במערכת. אם יש השתקפות חזקה, רעד או ISI זמני העלייה והירידה עלולים לא להיות חלקים ויכולים להפגין רמות או וריאנטים חזקים.
משך סמל ממוצע : זהו הזמן בין נקודות האמצע של חציית אותות עוקבים
Bit error rate BER: על ידי השוואה בין סף לוגיקה עם הסיבים המתקבלים בדיאגרמת עין, ניתן לקבוע שיעור שגיאות סיביות. ערך זה יהיה תלוי במספר גורמים, אך ערך רצוי יכול להיות קטן כמו 10-12 ומטה. טכניקות כמו equalization וגם pre emphasis הן שתי דרכים להפחתת ערכי BER. לדוגמה, השוואת משוב דינמי DFE משמש עבוד 400G עם PAM-4
הפרעות של סיגנלים
המצב שבו אותות עוקבים מפריעים זה לזה עקב בעיות שלמות האות נקרא גם intersymbol interference. על ידי בחינת ההפרעות ניתן לזהות איפה בדיוק בערוץ יש בעיה או תקלה וכך ניתן לזהות בעיות ספציפיות בערוץ הדיגיטלי.
מה שמעלה את השאלה ההפוכה: מה ייחשב לדיאגרמת עין רצוייה אובייקטיבית?
באופן אידיאלי לא יהיה שום עיוות של האות, שום רעש, שום התפשטות פולסים ולא רעש מוגבר. במילים אחרות, האותות היוצאים תואמים בדיוק את האותות הנכנסים. היכולת לראות את זה היא מה שהופכת את דיאגרמת עין לחלק בסיסי בניתוח אותות ואיכותם.
כיצד לקרוא דיאגרמת עין?
דיאגרמה עבור ערוץ בקצבים גבוהים ממחישה את הסטטיסטיקות של המעברים בין רמות שונות ואת הסטטיסטיקות של המתח בכל רמת לוגיקה. מה שנותן לנו מדד לרעשים קיימים במקלט עקב הפרעות, זליגות רוחב פס וכל רעש נוסף לערוץ (רעידות ברמה של רכיב הכוח על ה I/O של הדרייבר). עם זאת, המדד הנפוץ לקריאת דיאגרמת עין הוא ה"מסכה" שלה או "פתיחת עין".
פתיחת עין מתייחסת לאיזור הפנימי של דיאגרמת עין. כדי לראות פתיחת עין, נוכל להסתכל על הדוגמה הבאה עבור ערוץ PAM-4 במהירות של Gbps 224. ההדמייה הבאה מראה דיאגרמת עין עבור סיבית פסודו אקראית עבור ערוץ באורך ~700 בין שבב לבין מודול המחבר שלו. כאשר הרעש היחיד שקיים נובע מההשתקפות בעומס ועד לרוחב הפס הנדרש של 56 גיגה-הרץ נוכל לראות שפתיחת העין ברורה מאוד עם הפרדה של ~220 mV בין האותות.
נוכל לראות בבירור שפתיחת העין לאורך ציר הזמן נעה בין כ 44% ל 57% מהאינטרבל היחיד UI. זה ממחיש את כמות הרעש שניראית במקלט עקב ההתנגשות בין פולסים נכנסים ופולסים חוזרים. הטווח של הרעש בערוץ הזה עומד על כ 1.16 ps של וריאציה רק עקב חפיפת פולסים.
ברגע שמוסיפים רעש אקראי לערוץ אנחנו יכולים לראות טשטוש מסויים בתבנית העין כאשר נקודות החציה מתחילות להשתנות על צירי הזמן והמתח. התוצאה הבאה מראה מה קורה כאשר קיים רעש אקראי של 5% בלבד (סטיית תקן ב UI) על הקצוות העוליעם של האותות המונעים לתוך הערוץ. רמה זו של רעש עשוייה להיראות קטנה אך בהתחשב בערך UI של ~9 ps ערך UI וזמן עלייה של 25% UI, זה מספיק כדי להזיז את נקודות החצייה בצורה משמעותית. התוצאה היא שהמרחק האנכי בין הרמות והמרחק האופקי המופחת בין נקודות החצייה מצטמצמים.
כלומר, רעש יכול להיחשב כמקור לרעש במישור הזמן שמגביר את רמת הרעש במישור המתח ושינוי זה ברמת הרעש ניתן לראות בדיאגרמת עין. ניתן לבחון בנוסף את האינטראקציה בין פתיחת העין לרעד אקראי כדי שנוכל לראות גבול מקובל לרעד אקראי שניתן לסבול בערוץ.
מדידה וסימולציות לדיאגרמות עין ו BER
כפי שהוזכר לעיל, דיאגרמות עין יכולות להיות מסומלצות או ממודלות עם פרמטרים ידועים של פונקציות S או פונקציות העברה עם Buffers מוגדרים או ישירות מתכנון PCB עם כל הרכיבים הנוכחיים. אם מודלי הערוץ ידועים ניתן לדמות דיאגרמת עין מרצף סיבים פסודו אקראים עם קונבולוציה (ראו דיאגרמה למטה). תהליך זה ניתן ליישום ב MATLAB או בתוכנית סקריפט מתמטי אחר.
בזמן העבודה עם האבטיפוס, המטרה הסופית היא לקבוע תאימות ולהפיק מודל ערוץ מתוך המדידות. מודל הערוץ יהיה שימושי מאוד עבור משימות תכנון נוספות כמו במקרה שתרצו להוסיף מחבר או מעבר. קביעת תאימות הערוץ תדרוש גם ניתוח BER שיכול להיות מורכב מאוד ולא נתייחס כעת לכל האפשרויות. בנוסף, ישנן מדידות נוספות שתוכלו להוציא מדיאגרמת הכין שלכם. תוכלו לקרוא את המאמר הזה מ Keysight ולקבל הנחיות מדידה נוספות.
כאשר תצטרכו למקם רכיבים, לנתב קווי תמסורת ולהשתמש במנועי סימולציה חזקים עבור המערכת הדיגיטלית שלכם, השתמשו במערך הכלים השלם לתכנון ב Altium Designer. כאשר סיימתם את פרוייקט ותרצו לשחרר את הקבצים לייצרן, פלטפורמת Altium 365 תקל על שיתוף הפעולה ושיתוף הפרוייקטים עם אחרים.
אני מזמין אתכם להיכנס לדף הלינקדין שלנו ולהתעדכן בפוסטים מעניינים, בנוסף לדף הוובינרים שלנו ביוטיוב שמתעדכן ברמה שבועית. למידע נוסף צרו איתנו קשר.
תודה שקראתם ונתראה בבלוג הבא,
בן מימון
