En telecomunicaciones , un patrón de ojo , también conocido como diagrama de ojo , es una representación de un osciloscopio en la que una señal digital de un receptor se muestrea de forma repetitiva 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 denomina así porque, para varios tipos de codificación, el patrón parece una serie de ojos entre un par de raíles. 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 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 el intervalo unitario (UI). En otras palabras, muestra la probabilidad de que la señal se encuentre en cada voltaje posible a lo largo de la duración del UI. Normalmente se aplica una rampa de color a la PDF para facilitar la visualización de pequeñas diferencias de brillo.
Se pueden derivar varias mediciones del rendimiento del sistema analizando la pantalla. Si las señales son demasiado largas, demasiado cortas, están mal sincronizadas con el reloj del sistema, demasiado altas, demasiado bajas, demasiado ruidosas o demasiado lentas para cambiar, o tienen demasiados subimpulsos o sobreimpulsos , 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 al ruido aparece como un patrón de ojo cerrado. [1] [2] [3]
El primer paso para calcular un patrón ocular consiste normalmente en obtener la forma de onda que se va a analizar 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 circuitos 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 o una línea de transmisión arbitrarios 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 de unidad (UI) y producir un gráfico uniforme 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 hacerlo, según las características de la señal y las capacidades del osciloscopio y del software en uso. Este paso es de vital importancia para la visualización precisa de la vibración en el ojo.
Un método muy simple de segmentación consiste en configurar la pantalla del osciloscopio para que tenga un poco más de una interfaz de usuario de ancho, activarla en los flancos ascendentes y 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 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 interfaz de usuario).
Una forma sencilla de hacer que el patrón de ojo muestre la fluctuación en la señal es estimar la tasa de símbolos de la señal (quizás contando la cantidad promedio de cruces por cero en una ventana de tiempo conocida) y adquirir muchas IU 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 longitud.
Este enfoque puede funcionar adecuadamente para señales estables en las que la tasa de símbolos permanece exactamente igual a lo largo del tiempo, sin embargo, las imprecisiones en el sistema significan que es inevitable cierta desviación, por lo que rara vez se utiliza en la práctica. En algunos protocolos, como SATA , la tasa de símbolos se varía intencionalmente mediante el uso de un reloj de espectro ensanchado , por lo que asumir una tasa 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 el sentido estricto, los receptores para 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 tasa de modulación, que el receptor no puede rastrear de manera efectiva).
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 en el 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 de ojo 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 que tiene como objetivo permitir una fácil recuperación del reloj mediante un PLL . Dado que así es como funciona el receptor real, la forma más precisa de cortar datos para el patrón del ojo es implementar un PLL con las mismas características en el software. La configuración correcta del PLL permite que el ojo oculte los efectos de la sincronización del espectro ensanchado y otras variaciones a largo plazo en la tasa de símbolos que no contribuyen a los errores en el receptor, mientras sigue mostrando una fluctuación de frecuencia más alta.
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 compartimento del histograma por el valor en el compartimento más grande. Se puede aplicar un mapeo de tonos , una escala logarítmica u otras transformaciones matemáticas para enfatizar diferentes partes de la distribución, y se aplica un gradiente 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 o cientos de millones de UI para un patrón de un solo ojo. En el ejemplo siguiente, 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 constar de dos niveles claramente distintos con transiciones suaves entre ellos.
El patrón de ojo de una señal MLT-3 debe constar de tres niveles claramente diferenciados (nominalmente -1, 0, +1 de abajo a arriba). El nivel 0 debe estar ubicado en cero voltios y la forma general debe ser simétrica respecto del 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 (lo que indicaría que la señal es PAM-3 en lugar de MLT-3).
El patrón de ojo de una señal PAM debe constar de N niveles claramente diferenciados (dependiendo del orden PAM, por ejemplo, PAM-4 debe tener cuatro niveles y PAM-3 debe tener tres). La forma general debe ser simétrica respecto del 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 es más alto (para preénfasis) o más bajo (para deénfasis) que el valor nominal.
A primera vista, el patrón de ojos de una señal con énfasis puede confundirse con el de una señal PAM, pero si se observa con más atención se pueden ver algunas diferencias clave. En particular, una señal con énfasis tiene un conjunto limitado de transiciones legales:
Una señal enfatizada nunca pasará de un estado débil al estado fuerte correspondiente, 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 espaciados de manera uniforme, mientras que los niveles enfatizados normalmente están más cerca del nivel de 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/bajada de la señal. Si la velocidad de datos es lo suficientemente alta o el canal tiene suficiente pérdida, la señal puede no alcanzar su valor completo durante una transición rápida de 0-1-0 o 1-0-1, y solo se estabiliza después de una serie de bits idénticos. Esto da como resultado el cierre vertical del ojo.
La imagen de abajo 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 manera 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. Si observamos 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 la fundamental) y disminuye en amplitud.
Los stubs, los desajustes de impedancia y otros defectos en una línea de transmisión pueden causar reflexiones visibles como defectos en los bordes de la señal. Las reflexiones con un retraso mayor a una UI a menudo hacen que el ojo sea completamente ilegible debido a la interferencia entre símbolos (ISI) , sin embargo, aquellas con un retraso más corto se pueden ver fácilmente en la forma del ojo.
En la imagen de abajo, hay un extremo 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 extremo con un retraso de aproximadamente 320 ps o 0,4 UI. Esto se puede ver claramente como un "paso" en el borde ascendente en el que la señal aumenta a una fracción del valor completo, se estabiliza durante el retraso de ida y vuelta del extremo y luego aumenta a su valor completo 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, lo que produce reflejos a aproximadamente 1280 ps o 1,6 UI. Esto produce una ISI extrema (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
Mediciones 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 ).