아이패턴

Eye pattern
착시현상과 혼동하지 말 것.
OOK 변조 방식의 두 가지 전력 레벨의 예를 보여주는 그래픽 아이 패턴.0에서 1, 1로, 1에서 0으로, 0에서 0으로, 1에서 0으로, 1에서 0으로, 1에서 1에서 1로 전환되는 일정 이진수 1 및 0에서 1로 표시됩니다.

전기통신에서 아이패턴(eye pattern)은 수신기의 디지털 신호를 반복적으로 샘플링하여 수직 입력에 적용하는 동시에 데이터 레이트를 사용하여 수평 스위프를 트리거하는 오실로스코프 디스플레이입니다.여러 유형의 코딩에서 패턴이 한 쌍의 레일 사이에 있는 일련의 눈처럼 보이기 때문에 이렇게 불립니다.채널 노이즈, 분산 및 심볼 간 간섭이 베이스밴드 펄스 전송 시스템의 성능에 미치는 영향을 평가하기 위한 도구입니다.이 기술은 제2차 세계 대전 SIGSALY 보안 음성 전송 시스템에 처음 사용되었습니다.

수학적 관점에서 눈 패턴은 신호의 확률밀도함수(PDF)를 시각화한 것으로 단위간격(UI)을 모듈화한다.즉, 신호가 UI의 지속시간에 걸쳐 각각의 가능한 전압에서 존재할 확률을 나타낸다.일반적으로 작은 밝기 차이를 시각화하기 위해 PDF에 색상 램프가 적용됩니다.

디스플레이를 분석하여 몇 가지 시스템 성능 측정을 도출할 수 있습니다.신호가 너무 길거나 너무 짧거나 시스템 클럭과 동기화되지 않거나, 너무 높거나, 너무 낮거나, 노이즈가 너무 많거나, 너무 느려서 변경할 수 없는 경우 또는 언더슈트 또는 오버슈트가 너무 많으면 아이 다이어그램에서 확인할 수 있습니다.열린 눈 패턴은 신호 왜곡을 최소화합니다.심볼 간 간섭 및 노이즈로 인한 신호 파형의 왜곡은 눈 [1][2][3]패턴의 폐쇄로 나타납니다.

계산

소스 데이터

눈 패턴을 계산하는 첫 번째 단계는 일반적으로 정량화된 형태로 분석되는 파형을 얻는 것입니다.이는 충분한 대역폭의 오실로스코프로 실제 전기 시스템을 측정하거나 회로 시뮬레이터로 합성 데이터를 생성하여 제안된 설계의 신호 무결성을 평가함으로써 수행할 수 있습니다.두 가지 접근방식의 조합도 사용할 수 있습니다.측정된 신호에 대한 임의의 회로 또는 전송로의 영향을 시뮬레이션하여 긴 케이블을 통과한 후에도 신호가 여전히 이해할 수 있는지 여부를 판단할 수 있습니다.UI당 샘플 수를 늘리고 시각적으로 더 매력적이고 이해하기 쉬운 매끄럽고 간격이 없는 플롯을 만들기 위해 보간법을 적용할 수도 있다.

슬라이스

다음으로 UI 내에서 각 샘플의 위치를 결정해야 합니다.신호의 특성과 오실로스코프 및 사용 중인 소프트웨어의 기능에 따라 여러 가지 방법이 있습니다.이 단계는 눈의 지터를 정확하게 시각화하기 위해 매우 중요합니다.

트리거링

매우 간단한 슬라이싱 방법은 오실로스코프 디스플레이를 둘 이상의 UI 폭으로 설정하고, 신호의 상승 에지 및 하강 에지에서 트리거하며, 측정된 모든 파형이 단일 플롯으로 "스택"되도록 디스플레이 지속성을 활성화하는 것입니다.이 기능은 거의 모든 오실로스코프(완전 아날로그 오실로스코프라도)에서 가능하다는 장점이 있으며 노이즈와 전체 신호 모양을 적절히 시각화할 수 있지만, 기기의 트리거가 그래프를 각 UI에 다시 동기화하므로 신호의 지터 내용을 완전히 파괴합니다.이 방법으로 볼 수 있는 유일한 지터는 오실로스코프 자체의 지터와 극도로 높은 주파수 지터(UI보다 주기가 작은 주파수)입니다.

고정 환율

신호에서 눈 패턴 표시 지터를 갖는 간단한 방법은 신호의 심볼 레이트를 추정하는 것입니다(아마도 알려진 시간 창의 평균 제로 교차 횟수를 카운트하여). 그리고 단일 오실로스코프 캡처로 많은 UI를 획득하는 것입니다.캡처의 첫 번째 영점 교차는 첫 번째 UI의 시작이라고 선언되고 파형의 나머지 부분은 한 UI 길이의 청크로 분할됩니다.

이 접근방식은 심볼 속도가 시간이 지남에 따라 정확히 동일하게 유지되는 안정적인 신호에 대해 적절하게 작동할 수 있지만, 시스템의 부정확성은 일부 드리프트가 불가피하다는 것을 의미하므로 실제로는 거의 사용되지 않습니다.SATA와 같은 일부 프로토콜에서는 스펙트럼 확산 클로킹을 사용하여 심볼 속도를 의도적으로 변경하므로 고정 속도를 가정하면 신호에 실제로 존재하는 지터가 눈에 크게 과장됩니다.(클럭의 스펙트럼 확산 변조는 엄밀한 의미에서 지터이지만, 이러한 시스템의 리시버는 변조를 추적하도록 설계되어 있습니다.신호 무결성 엔지니어가 관심을 갖는 유일한 지터는 변조 레이트보다 훨씬 빠른 지터이며, 수신기는 이를 효과적으로 추적할 수 없습니다).

기준 클럭

HDMI와 같은 일부 프로토콜에서는 기준 클럭이 신호와 함께 심볼 속도 또는 심볼 클럭을 재구성할 수 있는 낮은 주파수(동기화된)로 공급됩니다.시스템의 실제 수신기는 참조 클럭을 사용하여 데이터를 샘플링하기 때문에 이 클럭을 사용하여 UI 경계를 결정함으로써 아이 패턴은 수신기가 보는 대로 신호를 충실하게 표시할 수 있습니다. 즉, 신호와 참조 클럭 사이의 지터만 표시됩니다.

클럭 리커버리

PCIe, DisplayPort 및 대부분의 이더넷바리안트 등 대부분의 고속 시리얼 신호에서는 PLL에 의한 간단한 클럭 회복을 가능하게 하는 라인 코드를 사용합니다.실제 리시버는 이렇게 동작하기 때문에 아이 패턴의 데이터를 슬라이스하는 가장 정확한 방법은 소프트웨어에서 동일한 특성을 가진 PLL을 구현하는 것입니다.올바른 PLL 설정에 의해, 수신측에서의 에러의 원인이 되지 않는 스펙트럼 확산 클로킹이나 그 외의 심볼 레이트의 장기 변동의 영향을 숨길 수 있습니다.또, 보다 높은 주파수 지터를 표시할 수도 있습니다.

통합

그런 다음 샘플이 2차원 히스토그램으로 누적되며, X축은 UI 내의 시간을 나타내고 Y축은 전압을 나타냅니다.그런 다음 각 히스토그램 빈의 값을 가장 큰 빈의 값으로 나누어 정규화합니다.분포의 다른 부분을 강조하기 위해 톤 매핑, 로그 스케일링 또는 기타 수학적 변환을 적용할 수 있으며, 표시용 마지막 눈에 색 구배를 적용할 수 있다.

신호를 정확하게 표현하려면 대량의 데이터가 필요할 수 있습니다. 단일 눈 패턴에 수천에서 수억 개의 UI가 자주 사용됩니다.아래 예에서 12,000 UI를 사용하는 눈은 눈의 기본 모양만 나타내지만 800만 UI를 사용하는 눈은 상승 및 하강 모서리에 훨씬 더 미묘한 차이를 보입니다.

  • Eye pattern of twelve thousand UIs of a 1.25 Gbit/s signal

    1.25 Gbit/s 신호로 12,000 UI의 아이패턴

  • Eye pattern of eight million UIs of a 1.25 Gbit/s signal

    1.25 Gbit/s 신호로 800만 UI의 아이패턴

변조

베이스밴드 변조의 각 형태는 독특한 외관을 가진 아이패턴을 생성한다.

NRZ

NRZ 신호의 눈 패턴은 명확하게 구별되는 두 개의 레벨로 구성되어야 하며, 그 사이에 원활한 전환이 이루어져야 한다.

1.25 Gbit/s NRZ 신호의 아이 패턴

MLT-3

MLT-3 신호의 눈 패턴은 명확하게 구별되는 세 가지 레벨(공칭 -1, 0, +1)로 구성됩니다.0 레벨은 0V에 위치해야 하며 전체 모양은 수평 축을 중심으로 대칭이어야 합니다.+1 및 -1 상태는 동일한 진폭을 가져야 합니다.0 상태에서 +1 및 -1 상태로 부드럽게 이행해야 하지만 -1 상태에서 +1 상태로 직접 이행해서는 안 됩니다.

125 Mbit/s MLT-3 신호의 아이 패턴

PAM

PAM 신호의 눈 패턴은 N개의 명확하게 구별되는 레벨로 구성되어야 합니다(예를 들어 PAM-4에는 4개의 레벨이 있어야 합니다).전체 모양은 수평 축을 중심으로 대칭이어야 하며 모든 레벨의 간격이 균일해야 합니다.

Eye pattern of a PAM-4 signal

PSK

Eye pattern of a binary PSK system Eye pattern of the same system with multipath interference (MI) effects added

채널 효과

채널의 많은 특성은 눈 패턴에서 볼 수 있습니다.

강조

신호에 강조를 가하면 신호의 각 값에 대해 공칭값보다 높은(사전 강조의 경우) 또는 낮은(강조 해제의 경우) 추가 레벨이 생성됩니다.

강조가 있는 신호의 눈 패턴은 언뜻 보면 PAM 신호 패턴으로 오인될 수 있지만 자세히 살펴보면 몇 가지 중요한 차이가 있습니다.특히 강조된 신호에는 다음과 같은 일련의 법적 전환이 한정되어 있습니다.

  • strong 상태에서 대응하는 weak 상태로(1-1 또는 0-0 비트 패턴)
  • Strong 스테이트에서 반대 Strong 스테이트로 (1-0-1 또는 0-1-0 비트패턴의 두 번째 이행)
  • 약한 상태에서 반대되는 강한 상태로(1-1-0 또는 0-0-1 비트 패턴의 두 번째 천이)

강조된 신호는 약한 상태에서 대응하는 강한 상태로 이행하거나 약한 상태에서 다른 약한 상태로 이행하거나 여러 UI에서 동일한 강한 상태로 유지되지 않습니다.PAM 신호도 일반적으로 균일한 간격의 레벨을 가지지만 강조된 레벨은 일반적으로 공칭 신호 레벨에 가깝습니다.

프리엠퍼시스 6dB의 1.25Gbps NRZ 신호의 눈 패턴

고주파 손실

유전체 손실로 인해 주파수에 따라 프린트 회로 기판의 트레이스와 케이블의 손실이 증가하여 채널이 로우패스 필터로 동작합니다.이로 인해 신호 상승/하강 시간이 증가합니다.데이터 레이트가 충분히 높거나 채널이 충분히 손실된 경우, 신호는 고속 0-1-0 또는 1.0-1 전환 중에 최대값에 도달하지 못하고 동일한 비트를 여러 번 실행한 후에만 안정화될 수 있습니다.그러면 눈이 수직으로 닫힙니다.

다음 그림은 약 12피트(3.65m) 길이의 RG-188 동축 케이블인 손실 채널을 통과한 후 1.25기가비트/초 NRZ 신호를 나타내고 있습니다.이 채널은 DC에서 0.1dB에서6GHz에서 9dB로 상당히 선형적으로 손실이 증가합니다.

눈의 상단 및 하단 "레일"은 동일한 값으로 여러 비트를 연속한 후 신호가 도달하는 최종 전압을 나타냅니다.채널은 DC에서 손실이 최소화되므로 최대 신호 진폭은 크게 영향을 받지 않습니다.신호의 상승 에지(0-1 패턴)를 보면 신호가 약 -300ps에서 레벨 다운되기 시작하지만 UI의 지속 시간 동안 천천히 상승하는 것을 알 수 있습니다.약 +300ps에서 신호는 다시 하강하기 시작하거나(0-1-0 패턴) 느린 상승(0-1-1 패턴)을 계속합니다.

손실 채널을 통한 1.25 Gbit/s NRZ 신호의 아이 패턴

고주파 손실이 증가하면 눈의 전체 형상이 점차 정현동으로 저하되고(데이터의 고주파 고조파가 제거되면 남은 것은 기본 주파수뿐) 진폭이 감소한다.

임피던스 미스매치

스터브, 임피던스 미스매치 및 전송 라인의 기타 결함으로 인해 신호의 엣지 결함에 반사가 나타날 수 있습니다.지연이 2 UI 이상인 반사는 심볼간 간섭(ISI)으로 인해 눈을 완전히 읽을 수 없게 되는 경우가 많지만 지연이 짧은 반사는 눈 모양에서 쉽게 볼 수 있습니다.

아래 그림에서는 약 1인치(25.4mm)의 개방회로 스터브가 라인 내에 존재하며, 초기 저임피던스 효과(진폭 감소)가 발생한 후 스터브 끝에서 약 320ps 또는 0.4UI의 지연으로 양의 반사가 발생합니다.이는 신호가 최대값의 일부까지 상승하고 스터브의 라운드 트립 지연에 대해 레벨 오프한 후 반사가 도착했을 때 최대값까지 상승하는 상승 에지의 "스텝"으로 명확하게 볼 수 있습니다.

1인치 스터브를 사용한 1.25 Gbit/s NRZ 신호의 아이 패턴

다음 그림에서는 같은 스터브 끝에 3인치의 케이블이 추가되어 있습니다.동일한 "스텝"이 존재하지만 4배 더 길어지고 약 1280ps 또는 1.6UI에서 반사가 발생합니다.그러면 (각 UI의 반영이 후속 UI 중에 도착하기 때문에) 눈을 완전히 감는 극단적인 ISI가 생성됩니다.

4인치 스터브를 사용한 1.25기가비트/초 NRZ 신호의 아이 패턴

측정값

아이 [4]다이어그램에서 얻을 수 있는 측정치는 다음과 같습니다.

진폭 측정

  • 눈의 진폭
  • 아이 크로스 진폭
  • 눈높이 백분율
  • 눈높이
  • 눈높이
  • 눈 신호 대 잡음비
  • 품질 계수
  • 수직 눈뜨기

시간 측정

  • 결정론적 지터
  • 눈 건너는 시간
  • 눈의 지연
  • 낙안 시간
  • 눈뜨기 시간
  • 눈폭
  • 수평 눈뜨기
  • 피크 투 피크 지터
  • 랜덤 지터
  • RMS 지터
  • CRC 지터
  • 총 지터

측정 해석

아이 다이어그램 기능 측정 내용
눈뜨기(높이, 피크 투 피크) 신호 내 부가 노이즈
아이 오버슈트/언더슈트 신호 경로 중단으로 인한 왜곡
눈폭 타이밍 동기 및 지터 효과
눈을 감다 심볼간 간섭, 가산 노이즈

「 」를 참조해 주세요.

메모들

  1. ^ Christopher M. Miller "Eye Diagram Analysis에 의한 고속 디지털 송신기 특성 평가".1266 Hewlett-Packard Journal 45(1994) 8월, No.4, 페이지 29-37.
  2. ^ Public Domain이 문서에는 General Services Administration 문서의 퍼블릭도메인 자료가 포함되어 있습니다."Federal Standard 1037C". (MIL-STD-188 지원)
  3. ^ John G Proakis, Digital Communications 제3판, 2001년
  4. ^ "Matlab's help file description of how to use the Eye Diagram Functions in the Communications Toolbox".

레퍼런스

외부 링크

Wikimedia Commons에는 아이 다이어그램과 관련된 미디어가 있습니다.