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 ( eje y ), mientras que la velocidad de datos se utiliza para activar el barrido horizontal ( eje x ). 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 del canal, la dispersión y la interferencia entre símbolos en el rendimiento de un sistema de transmisión de pulsos en banda base. La técnica se utilizó por primera vez con el sistema seguro de transmisión de voz SIGSALY de la Segunda Guerra Mundial .
Desde una perspectiva matemática, un patrón ocular 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 UI. Normalmente se aplica una rampa de color al PDF para facilitar la visualización de las pequeñas diferencias de brillo.
Se pueden derivar varias mediciones del 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 si tienen demasiado sobreimpulso o defecto , esto se puede observar en el diagrama de ojo. Un patrón de ojos abiertos 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 al ruido aparece como un cierre del patrón ocular. [1] [2] [3]
El primer paso para calcular un patrón ocular normalmente es obtener la forma de onda que se analiza en 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, tal vez para determinar si una señal seguirá siendo inteligible después de pasar por un cable largo. También se puede aplicar la interpolación en este momento para aumentar el número de muestras por intervalo unitario (UI) y producir un gráfico fluido y sin espacios que sea más atractivo visualmente y más fácil de entender.
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 inquietud en el ojo.
Un método muy simple de corte es configurar la pantalla del osciloscopio para que tenga un poco más de una interfaz de usuario de ancho, disparar en los flancos ascendente y descendente 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 resincroniza el gráfico con cada interfaz de usuario. . La única fluctuación visible con este método es la del propio osciloscopio, así como también la fluctuación de frecuencia extremadamente alta (frecuencias con período menor que la UI).
Una forma sencilla de hacer que el patrón ocular muestre la fluctuación en la señal es estimar la velocidad de símbolo de la señal (quizás contando el número promedio de cruces por cero en una ventana de tiempo conocida) y adquirir 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 UI, y el resto de la forma de onda se divide en fragmentos de una UI 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 imprecisiones en el sistema significan que cierta deriva es inevitable, por lo que rara vez se utiliza en la práctica. En algunos protocolos, como SATA , la velocidad de símbolo se varía intencionalmente mediante el uso de sincronización 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 fluctuación en sentido estricto, los receptores de estos sistemas están diseñados para rastrear la modulación. La única fluctuación de interés para un ingeniero de integridad de señal es una fluctuación mucho más rápida que la velocidad de modulación, que el receptor no puede realizar un seguimiento eficaz.)
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 ocular muestre fielmente la señal tal como la ve el receptor: solo se muestra la fluctuación entre la señal y el reloj de referencia.
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 ocular es implementar un PLL con las mismas características en el software. La configuración correcta de PLL permite que el ojo oculte los efectos de la sincronización del espectro ensanchado y otras variaciones a largo plazo en la velocidad de símbolo que no contribuyen a errores en el receptor, al tiempo que siguen mostrando una fluctuación de frecuencia más alta.
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 contenedor de histograma por el valor en el contenedor más grande. Se puede aplicar mapeo de tonos , escala logarítmica 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; Con frecuencia se utilizan decenas a cientos de millones de UI para un solo patrón de ojo. En el siguiente ejemplo, el ojo que utiliza doce mil UI solo muestra la forma básica del ojo, mientras que el ojo que utiliza ocho millones de UI muestra muchos más matices en los bordes ascendentes y descendentes.
Cada forma de modulación de banda base produce un patrón de ojo con una apariencia única.
El patrón ocular de una señal NRZ debe consistir en dos niveles claramente distintos con transiciones suaves entre ellos.
El patrón ocular de una señal MLT-3 debe consistir en tres niveles claramente distintos (nominalmente -1, 0, +1 de abajo hacia arriba). El nivel 0 debe ubicarse en cero voltios y la forma general debe ser simétrica con respecto al eje horizontal. Los estados +1 y -1 deben tener la misma amplitud. Debe haber transiciones suaves del estado 0 a los estados +1 y -1; sin embargo, no debe haber transiciones directas del estado -1 al +1.
El patrón ocular de una señal PAM debe consistir en 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.
Muchas propiedades de un canal se pueden ver en el patrón del ojo.
El énfasis aplicado a una señal produce un nivel adicional para cada valor de la señal que sea mayor (para preénfasis) o menor (para desacentuación) que el valor nominal.
El patrón ocular 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:
Una señal enfatizada nunca pasará de un estado débil al correspondiente estado fuerte, de un estado débil a otro estado débil, ni permanecerá en el mismo estado fuerte durante más de una interfaz de usuario. Una señal PAM normalmente también tiene niveles igualmente espaciados, mientras que los niveles enfatizados normalmente están más cerca del nivel de la señal nominal.
La pérdida de pistas 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/caída de la señal. Si la velocidad de datos es lo suficientemente alta o el canal tiene suficientes pérdidas, es posible que la señal ni siquiera alcance su valor completo 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 el 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 12 pies (3,65 metros) de longitud. Este canal tiene una pérdida que aumenta de forma bastante lineal desde 0,1 dB en CC hasta 9 dB en 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 flanco ascendente de la señal (un patrón 0-1), podemos ver que la señal comienza a nivelarse 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 subiendo lentamente (un patrón 0-1-1).
A medida que aumentan las pérdidas de alta frecuencia, la forma general del ojo se degrada gradualmente hasta convertirse en una sinusoide (una vez que se han eliminado los armónicos de alta frecuencia de los datos, todo lo que queda es el fundamental) y disminuye en amplitud.
Los cortes, 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 UI a menudo hacen que el ojo sea completamente ilegible debido a la interferencia entre símbolos (ISI) ; sin embargo, aquellos con un retraso más corto se pueden ver fácilmente en la forma del ojo.
En la imagen siguiente, hay un trozo de circuito abierto de aproximadamente una pulgada (25,4 mm) en la línea, lo que provoca un efecto inicial de baja impedancia (amplitud reducida) seguido de una reflexión positiva desde el extremo del trozo con un retraso de aproximadamente 320 ps o 0,4 UI. Esto se puede ver claramente como un "paso" en el flanco ascendente en el que la señal aumenta a una fracción del valor total, se nivela durante el retardo de ida y vuelta del trozo y luego aumenta a su valor total cuando llega la reflexión.
En la imagen a continuación, se agregan tres pulgadas adicionales de cable al extremo 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 siguiente) que cierra completamente el ojo.
Hay muchas medidas que se pueden obtener a partir de un diagrama de ojo: [4]
Mediciones de amplitud
Medidas de tiempo
Este artículo incorpora material de dominio público de la Norma Federal 1037C. Administración de Servicios Generales . Archivado desde el original el 22 de enero de 2022. (en apoyo de MIL-STD-188 ).