Anatomie eines Augendiagramms: Wie es konstruiert und ausgelöst wird

Abstract

In diesem Artikel wird beschrieben, was ein Augendiagramm ist, wie es aufgebaut ist und welche Trigger-Methoden zur Erstellung eines Augendiagramms verwendet werden. Außerdem werden verschiedene Möglichkeiten beschrieben, wie Informationen in einem Augendiagramm aufgeteilt werden können, um einen besseren Einblick zu gewinnen. Erläutert werden außerdem grundlegende Möglichkeiten zum Testen von Sendern, Kanälen und Empfängern. Ziel ist es, einem Ingenieur, der neu auf diesem Gebiet ist, ein grundlegendes Verständnis der häufig verwendeten Konzepte zu vermitteln.

Grundlagen der Augenmessung

Augendiagramme sind eine sehr erfolgreiche Methode, um die Qualität eines digitalen Signals schnell und intuitiv zu beurteilen. Ein korrekt aufgebautes Auge sollte alle möglichen Bitsequenzen enthalten, von einfachen 101er- und 010er-Bits bis hin zu isolierten Einsen nach langen Läufen von aufeinanderfolgenden Nullen und anderen Problemsequenzen, die oft Schwächen im Systemdesign aufzeigen.

Was wird dargestellt?

Augendiagramme zeigen parametrische Informationen über das Signal – Effekte, die sich aus der Physik ergeben, wie z. B. der Zustand der Systembandbreite usw. Sie zeigen keine Protokoll- oder logischen Probleme an – wenn eine logische 1 im Auge erscheint, offenbart dies nicht die Tatsache, dass das System eine Null senden wollte. Wenn jedoch die Physik des Systems vorgibt, dass eine logische Eins beim Durchlaufen des Systems so verzerrt wird, dass der Empfänger am anderen Ende sie für eine Null hält, sollte dies in einem guten Augendiagramm dargestellt werden.

Gängige Methoden zur Charakterisierung eines Auges sind die Messung der Anstiegszeiten, der Abfallzeiten, des Jitters in der Mitte des Kreuzungspunkts des Auges, des vorhandenen Überschwingens und vieler anderer numerischer Beschreibungen des Verhaltens des Auges, um die gemessenen Geräte zu vergleichen. Die Instrumente bieten in der Regel automatische Messungen, die die Durchführung solcher Messungen vereinfachen und beschleunigen

Die Auswirkungen von Triggerung in Augendiagrammen

Viele Augendiagramme werden mit Testgeräten erstellt, die sich wiederholende Testmuster verwenden, wie z. B. PRBS-Muster, die von einem BERT (Bit Error Ratio Tester) erzeugt werden. Solche Geräte können in der Regel eine Vielzahl von Trigger-Signalen erzeugen:

1. Ein Takttrigger mit der gleichen Rate und synchron zum Datensignal
2. Ein geteilter Takttrigger mit einem bestimmten Teilverhältnis der Datenrate, oft bezogen auf eine 2er-Potenz wie ÷4, ÷16 usw.
3. Ein Mustertrigger – ein Signal, das einmal pro Musterwiederholung einen Trigger liefert
4. Die Daten selbst können als Trigger verwendet werden.
5. Die letzte Option ist die Ableitung des Triggersignals mit Hilfe der Taktwiederherstellung aus dem Datensignal. Siehe Abbildung 2

Jede Methode liefert unterschiedliche Ergebnisse, wenn sie zum Erzeugen einer Wellenform verwendet wird.

Ein Takttrigger liefert ein klassisches Augendiagramm, das alle möglichen Bitübergänge in einer Anzeige enthält

Ein geteilter Takttrigger erzeugt ebenfalls ein Augendiagramm. Dies kann nützlich sein, wenn das Instrument, das zur Erstellung des Auges verwendet wird, eine geringere Bandbreite des Triggereingangs hat als die Datenrate des betrachteten Signals. Diese Methode kann ein gutes Auge erzeugen, es sei denn, die Musterlänge geteilt durch das Teilungsverhältnis ergibt eine ganze Zahl – zum Beispiel ein 128-Bit-Muster, das mit einem ÷4-Takt betrachtet wird. In diesem Fall stimmt das Triggersignal jedes Mal mit denselben Bits im Muster überein, während andere Teile des Musters konsequent ausgelassen werden – was zu einem unvollständigen Auge führt. Siehe Abbildung 3.

Mustertrigger: Wird verwendet, um einzelne Bits im Muster anzuzeigen. Um das gesamte Muster zu sehen, muss der Benutzer entweder die Zeitbasis des Oszilloskops oder die Position des Triggers für das Muster ändern, um durch das Muster zu scrollen. Das Scrollen über die Zeitbasis eines Oszilloskops kann aufgrund von Schwachstellen in der Zeitbasisschaltung zu einem erhöhten scheinbaren Jitter des angezeigten Signals führen. Um dieses Problem zu vermeiden, sollten Sie einen Mustertrigger inkrementieren, entweder innerhalb des BERT oder in einigen gehobeneren Oszilloskopen. Siehe Abbildung 4.

Die Triggerung auf Daten ist die am wenigsten zufriedenstellende Methode, ein Auge zu konstruieren, und sollte nur verwendet werden, um einen schnellen Überblick zu erhalten. Lange Reihen von identischen Zeichen bieten keine Übergänge, von denen aus etwas getriggert werden kann, und so ist es fast unmöglich, ein vollständiges Auge zu bekommen. Siehe Abbildung 5.

 

 

Triggerung aus einem wiederhergestellten Takt: Diese Methode erhöht zwar die Komplexität, hat aber auch einige Vorteile:

• In manchen Situationen ist ein Taktsignal nicht verfügbar und muss daher abgeleitet werden
• In anderen Fällen, insbesondere bei der Glasfaserkommunikation über große Entfernungen, kann die Beziehung zwischen dem Taktgeber auf der Sendeseite und den Daten auf der Empfangsseite durch zeitlich schnell veränderliche Effekte auf dem Übertragungsweg gestört werden.
• Und schließlich in Fällen, in denen der Empfänger eine Taktwiederherstellung verwendet und das Auge, wie es vom Empfänger gesehen wird, untersucht werden muss – dies kann von einigen Standards verlangt werden, insbesondere für Jitter-Tests.

Die für die Taktwiederherstellung verwendeten Schaltungen verfügen in der Regel über eine Schleifenbandbreite oder Filterfunktion, die einen Teil des Jitters, der im Datensignal vorhanden war, aus dem Taktsignal entfernt. Je nach Messung kann dies hilfreich oder hinderlich sein, muss aber verstanden werden.

Die Taktwiederherstellung mit enger Schleifenbandbreite führt in der Regel zu einem soliden Takttriggersignal als Referenz, wobei eventuell vorhandene Jitter oder zeitliche Flankenverschiebungen im Datenaugendiagramm angezeigt werden. Dies ist ein nützliches absolutes Maß, repräsentiert aber möglicherweise nicht den Jitter eines realen Systems, wenn der Empfänger die Taktwiederherstellung verwendet, um einen Teil des Jitters auszugleichen. Siehe Abbildung 6.

 

 

Die Taktwiederherstellung mit großer Bandbreite neigt dazu, mehr von dem Jitter, der im Datensignal vorhanden war, auf den Takt zu übertragen. Das kann bedeuten, dass die Daten durch die Verschiebung der Flanken in die eine und dann in die andere Richtung flattern. Der wiederhergestellte Takt folgt dem, und das resultierende Auge scheint nur sehr wenig Jitter zu enthalten. Diese Nachverfolgungsfunktion ist die Art und Weise, wie viele Systemempfänger arbeiten, um Jitter zu reduzieren, der durch das System weitergegeben wird. Siehe Abbildung 7

 

 

Die Bedingungen können auch den gegenteiligen Effekt hervorrufen – nämlich dann, wenn die Verzögerung zwischen Datensignal und Triggersignal so groß ist, dass sich die Datenflanken in der einen Richtung in größtmöglichem Maß bewegen, woraufhin sich das wiedergewonnene Taktsignal, das davon getriggert wird, in der anderen Richtung in größtmöglichem Maß bewegt und das resultierende Auge im Extremfall einen doppelt so großen Jitter anzeigt, als im Datensignal vorhanden war. Siehe Abbildung 8.

 

 

Die letztgenannte Situation ist zwar in den seltensten Fällen wünschenswert, aber die ersten beiden Situationen, in denen der gesamte Jitter angezeigt wird und in denen der meiste Jitter herausgefiltert wird, haben ihre Berechtigung, je nachdem, welche Informationen mit der Messung gesucht werden. In den meisten Standards ist jedoch festgelegt, welches Triggerungsschema für die Messungen erforderlich ist.

Augendiagramme und BER

Augendiagramme bieten zwar einen verständlichen und intuitiven Überblick über die parametrische Leistung, aber letztendlich werden die Systeme nach ihrer Fähigkeit beurteilt, Bits fehlerfrei und zuverlässig zu übertragen. Die BER, Bit Error Ratio oder Bit Error Rate, wie sie manchmal genannt wird, ist das Verhältnis zwischen der Anzahl der fehlerhaft empfangenen Bits (Fehler) und der Gesamtzahl der empfangenen Bits. Dies liefert eine Gesamtbewertung für die Leistung eines Systems, gibt aber wenig Aufschluss darüber, warum die Leistung möglicherweise hinter den Erwartungen zurückbleibt. Sie sollten bedenken, dass die BER sowohl logische als auch parametrische Probleme testet – ob das richtige Bit überhaupt gesendet wurde.

Warum lassen sich also Augendiagramme und BER nicht einfach miteinander verbinden? Ein perfektes Augendiagramm würde alle parametrischen Aspekte aller möglichen Bitfolgen zeigen, unabhängig davon, wie selten einige Effekte auftreten. Mit anderen Worten, es käme zu einer hohen Informationstiefe. Normalerweise bestehen Augendiagramme aus Spannungs-/Zeit-Samples der Originaldaten, die mit einer Abtastrate erfasst werden, die um Größenordnungen unter der Datenrate liegt. Bei Abtastoszilloskopen kann dies 105 Abtastungen pro Sekunde bei einer Rate von 10 Gbit/s (1010 Bits/Sekunde) sein. Das bedeutet, dass die meisten Augendiagramme aus einer geringen Menge von Daten bestehen.

Dies wird dann kritisch, wenn Probleme auftreten, die nur selten auftreten. Diese können musterbezogen, rauschbezogen oder von anderen Effekten wie Übersprechen und anderen Formen der Interferenz herrührend sein. Sie sind in einem Oszilloskop-Augendiagramm möglicherweise nicht sichtbar, verhindern aber, dass die Verbindungsleistung die gewünschten Werte erreicht. Beispielsweise wird von Verbindungen oft verlangt, dass sie besser als ein Fehler in einer Million Bits (1x10^-12 BER) funktionieren, während Augendiagramme Ereignisse mit Wahrscheinlichkeiten von weniger als 1x10^-5 kaum abbilden können

Dies hinterlässt eine Informationslücke, die auf verschiedene Weise geschlossen werden kann. Die erste besteht darin, das Augendiagramm aus Spannungs-/Zeitmessungen zu erstellen, die mithilfe einer Hardware mit höherer Abtasteffizienz durchgeführt wurden. Systeme wie das BERT Scope sind in der Lage, eine um das Dreifache größere Tiefe zu erreichen als Sampling-Oszilloskope.

Die zweite Lösung besteht darin, die Tatsache zu nutzen, dass ein BERT Daten direkt mit der Leitungsrate abtastet und daher besser in der Lage ist, seltene Ereignisse zu erkennen, die die Systemleistung einschränken.

Das Auge aufteilen

Typische Empfänger sind so konzipiert, dass sie zu einem bestimmten Zeitpunkt entscheiden, ob das Signal über oder unter einer bestimmten Schwellenspannung liegt. Siehe Abbildung 9.

Auf dieser Grundlage entscheidet der Empfänger, ob es sich bei dem eingehenden Signal um eine Daten-1 oder eine Daten-0 handelt. Umsichtige Systemdesigner platzieren diesen Entscheidungspunkt so weit wie möglich von steigenden Flanken, fallenden Flanken, hohem Pegel und niedrigem Pegel entfernt – mit anderen Worten: in einem ungehinderten Teil des Auges, normalerweise in der Mitte. Die meisten BERT-Geräte bieten die Möglichkeit, diesen Entscheidungspunkt zeitlich und/oder spannungsmäßig von der optimalen Position zu entfernen. Durch Verschieben des Entscheidungspunktes können Sie andere Teile des Auges untersuchen und durch Messung der aufgetretenen Fehler ein Profil der Anatomie des Augendiagramms erstellen.

Jitter-Messung ist ein gängiger Test, der mit einem BERT durchgeführt wird, indem der Kreuzungspunkt des Auges gemessen wird. Für diese Messung gibt es verschiedene Bezeichnungen wie BERTScan, Bathtub Jitter und Jitter Peak. Sie wird in MJSQi ausführlicher beschrieben. Diese von einem BERT durchgeführte Messung hat den Vorteil, dass das BERT jedes Bit sieht und daher am ehesten seltene Jitter-Ereignisse erfassen kann. Siehe Abbildung 10.

 

 

 

Prüfung des Signal-Rausch-Verhältnisses: Ein zweiter gängiger Augentest, der aus der Glasfasertechnik stammt, ist der Q-Faktor. Dieser ist besonders nützlich bei Systemen, deren Leistung durch Rauschen eingeschränkt wird. Hier wird der Entscheidungspunkt verwendet, um einen vertikalen Schnitt durch das Auge in der Mitte der Bitperiode zu messen. Die Messung der Art und Weise, wie die BER zur Mitte des Auges hin abfällt, gibt einen Hinweis darauf, wie viel Rauschen vorhanden ist und wie es sich auf die Strecke auswirken wird. Siehe Abbildung 11.

 

 

 

BER Contour ist eine Obermenge der letzten beiden Messungen und außerdem die perfekte Verbindung zwischen BER und Augendiagrammen. Hierbei wird der Entscheidungspunkt schrittweise um das Innere des Auges gelegt und das BER-Profil auf einer Reihe von schrägen Schnitten um das Auge herum abgebildet. Auf diese Weise ergibt sich ein weitaus umfassenderes und klareres Bild davon, wo systemparametrische Probleme lauern könnten. Das BERTScope wurde optimiert, um diese Messung so zu gestalten, dass sie schnell und aufschlussreich ist. Siehe Abbildung 12.

Der Ruf nach Geschwindigkeit

Die praktische Seite dieser Messungen besteht darin, dass eine Einzelpunkt-BER-Messung von 1x10^-12 bei 10 Gbit/s mehrere Minuten dauert. Da von vielen Systemen erwartet wird, dass sie besser als 1x10^-15 BER funktionieren, wobei die Messung eines einzelnen Punktes Monate dauern könnte, ist die Möglichkeit, schnellere Messungen durchzuführen und dann zu extrapolieren, sehr wertvoll. Der Schlüssel dazu ist, dass BER-Konturmessungen schnell durchgeführt werden können, die bereits nahe an den erforderlichen Werten liegen, so dass die Ungenauigkeiten bei der Extrapolation stark minimiert werden können.

Testen von Sendern

Augendiagramme werden üblicherweise zum Testen von Sendern verwendet. Da die Eingangscharakteristiken der Testgeräte variieren, wurde eine standardisierte Testmethode, der so genannte Referenzempfänger, von internationalen Standards wie der ITU für Geräte zum Testen von optischen Sendern entwickelt. Eine ähnliche Verwendung des Eingangsfilters taucht jetzt auch in einigen elektrischen Normen auf. Siehe Abbildung 13

Das Ziel ist, dass der gesamte Frequenzgang des Messsystems gut kontrolliert ist und einer Bessel-Thompson-Kurve 4. Ordnung innerhalb eines definierten Toleranzfensters mit einem System-3-dB-Punkt bei 0,75 der Bitrate folgt. Theoretisch bedeutet dies, dass die mit verschiedenen Geräten durchgeführten Messungen vergleichbar sein sollten.

Der Maskentest ist ein abgekürzter Augendiagrammtest für die schnelle Prüfung von Sendern in der Fertigung. Anstatt alle parametrischen Aspekte des Auges zu messen, werden beim Maskentest Schlüsselbereiche des Auges definiert, die als „Sperrzonen“ gelten – wird ein Signal in dieser Region erkannt, besteht das Gerät den Test nicht. Maskentests dauern häufig nur wenige Sekunden. Allerdings ist anzumerken, dass Maskentests nur grobe Probleme bei Sendern aufdecken – sie können mit ihrer kurzen Zeitspanne einfach nicht die Datentiefe erreichen, um seltene Ereignisse zu erfassen, obwohl Instrumente wie das BERTScope in wenigen Sekunden wesentlich mehr Daten erfassen als die meisten Instrumente. Siehe Abbildung 14.

Testen von Kanälen

Kanäle können als unabhängiges Element oder als Kombination aus Sender und Kanal getestet werden. Das Testen des Kanals als unabhängige Einheit wird häufig durch die Messung parametrischer Eigenschaften wie Verlust, Dämpfung, Reflexion und Dispersion durchgeführt. Dies gilt sowohl für optische als auch für elektrische Verbindungen, obwohl bei elektrischen Kurzstreckenverbindungen wie Backplanes oft S-Parameter-Messungen als genaue Beschreibung aller oben genannten Parameter verwendet werden. Eine Herausforderung bei der Charakterisierung eines Kanals als unabhängige Einheit besteht darin, die vorgenommenen Messungen so zu übersetzen, dass man weiß, wie das Auge und die BER am Ende einer Verbindung aussehen werden. Modellierungsprogramme wie StatEyeiv versuchen, die parametrische Charakterisierung in eine vorhergesagte BER-Kontur umzuwandeln.

Ein anderer Ansatz besteht darin, den Kanal mit einem repräsentativen Sender zu messen. Dies hat den Nachteil, dass es schwierig ist, die Anteile von Sender und Kanal zu entflechten, hat aber den Vorteil, dass die Augeneigenschaften und die BER-Leistung direkt gemessen werden können. Dies kann nützlich sein, um eine gemessene BER-Kontur zu erstellen, die dann mit den modellierten Ergebnissen eines Programms wie StatEye verglichen werden kann.

BER-Konturen in drei Dimensionen – der Augenbogen

Eine gute Visualisierung des Zustand des Auges, einschließlich der Auswirkungen seltener Ereignisse, erhalten Sie, wenn Sie die BER-Kontur in drei Dimensionen aufzeichnen, wie in Abbildung 15.

Testen von Empfängern

Traditionell ist der Empfängertest eher ein BER-Test als ein augenbezogener Test. Das Eingangssignal des Empfängers wird verkleinert und oft auch in anderer Weise beeinträchtigt, so dass es den Grenzwert der Bedingungen darstellt, die das zu testende Gerät wahrnimmt. Wenn der Empfänger fehlerfrei funktioniert, ist die Prüfung bestanden.

Ein interessanter Aspekt von Empfängertests ist die Messung der Jitter-Toleranz, d. h. der Fähigkeit des Empfängers, bei jedem eingehenden Bit die richtige Entscheidung zu treffen, auch wenn sich die Flanken der Signaldaten zeitlich unregelmäßig bewegen. Wie bereits erwähnt, kann die Taktwiederherstellung einen großen Teil dieses Jitters beseitigen. In der Welt von SONET/SDH wurde die Jitter-Toleranz getestet, indem die Datenflanken mit Hilfe einer injizierten Sinuskurve, die in Amplitude und Frequenz entsprechend einer Vorlage variiert wurde, deterministisch verschoben wurden. In jüngerer Zeit wurde das Konzept des gestressten Auges eingeführt, bei dem die Ränder des ATA durch verschiedene Mittel korrumpiert werden. Dies geht über einen reinen Jittertest hinaus, da auch Beeinträchtigungen in der Amplitudendimension hinzugefügt werden, wie an anderer Stelle auf diesem Poster gezeigt wird. Die allgemeine Idee ist, dass das gestresste Auge auf die schlimmsten Betriebsbedingungen abgestimmt ist, die der Empfänger jemals vorfinden würde, und wenn er in der Lage ist, in Gegenwart eines solchen Signals fehlerfrei zu arbeiten, besteht das Gerät den Test. Siehe Abbildung 16

Fazit

In einem Augendiagramm kann eine immense Menge an Informationen enthalten sein, wenn es korrekt und mit ausreichender Datentiefe erfasst wird. Dies kann einem Konstrukteur viel über die parametrische Leistung seines Entwurfs verraten. Einem Fertigungsingenieur kann es Aufschluss darüber geben, ob Teile später in der Praxis Probleme verursachen werden.