目のパターン

電気通信において、アイパターン（アイダイアグラムとも呼ばれる）は、受信機からのデジタル信号が繰り返しサンプリングされて垂直入力（y軸）に適用され、データレートが水平スイープ（x軸）をトリガーするために使用されるオシロスコープの表示です。いくつかの種類のコーディングでは、パターンが一対のレールの間にある一連の目のように見えるため、このように呼ばれています。これは、チャネルノイズ、分散、および符号間干渉の組み合わせがベースバンドパルス伝送システムのパフォーマンスに与える影響を評価するためのツールです。この技術は、第二次世界大戦中のSIGSALYセキュア音声伝送システム で初めて使用されました。

数学的な観点から見ると、アイ パターンは、単位間隔 (UI) を法とする信号の確率密度関数 (PDF) を視覚化したものです。言い換えると、UIの期間全体にわたって信号が各可能な電圧にある確率を示します。通常、小さな明るさの違いを視覚化しやすくなるように、PDF に カラー ランプが適用されます。

表示を分析することで、いくつかのシステム性能測定値を得ることができます。信号が長すぎる、短すぎる、システムクロックと同期が不十分、高すぎる、低すぎる、ノイズが多すぎる、変化が遅すぎる、アンダーシュートやオーバーシュートが多すぎる場合は、アイダイアグラムから確認できます。アイパターンが開いている場合は、信号歪みが最小限です。シンボル間干渉とノイズによる信号波形の歪みは、アイパターンの閉じた状態として現れます。^{[1] [2] [3]}

アイ パターンを計算する最初のステップは、通常、分析対象の波形を量子化形式で取得することです。これは、十分な帯域幅のオシロスコープを使用して実際の電気システムを測定するか、回路シミュレータを使用して合成データを作成し、提案された設計の信号整合性を評価することによって実行できます。2 つのアプローチを組み合わせて使用​​することもできます。つまり、測定された信号に対する任意の回路または伝送線の影響をシミュレートして、長いケーブルを通過した後でも信号が理解可能かどうかを判断するなどです。この時点で補間を適用して、単位間隔 (UI) あたりのサンプル数を増やし、視覚的に魅力的で理解しやすい、滑らかでギャップのないプロットを作成することもできます。

次に、UI 内の各サンプルの位置を決定する必要があります。信号の特性、および使用しているオシロスコープとソフトウェアの機能に応じて、これを行う方法はいくつかあります。このステップは、アイ内の ジッターを正確に視覚化するために非常に重要です。

非常にシンプルなスライス方法は、オシロスコープのディスプレイを 1 UI よりわずかに広い幅に設定し、信号の立ち上がりエッジと立ち下がりエッジの両方でトリガーし、ディスプレイの持続性を有効にして、測定されたすべての波形が 1 つのプロットに「スタック」されるようにすることです。この方法は、ほぼすべてのオシロスコープ (完全アナログのものも含む) で実行できるという利点があり、ノイズと全体的な信号形状を適切に視覚化できますが、機器のトリガーによってプロットが各 UI に再同期されるため、信号のジッター コンテンツが完全に破壊されます。この方法で目に見えるジッターは、オシロスコープ自体のジッターと、非常に高い周波数のジッター (UI より周期の短い周波数) だけです。

アイ パターンに信号のジッターを表示させる簡単な方法は、信号のシンボル レートを推定し(既知の時間枠内のゼロ交差の平均回数をカウントするなど)、1 回のオシロスコープ キャプチャで多数の UI を取得することです。キャプチャ内の最初のゼロ交差が特定され、最初の UI の開始として宣言され、波形の残りの部分は 1 UI の長さのチャンクに分割されます。

このアプローチは、シンボル レートが時間経過に伴ってまったく同じままである安定した信号には適切に機能しますが、システムの不正確さにより、ある程度のドリフトは避けられないため、実際にはほとんど使用されません。SATAなどの一部のプロトコルでは、シンボル レートは拡散スペクトル クロッキングを使用して意図的に変更されるため、固定レートを想定すると、信号に存在する実際のジッタが大幅に誇張されて見えることになります。 (クロックの拡散スペクトル変調は厳密には技術的にはジッタですが、これらのシステムの受信機は変調を追跡するように設計されています。信号整合性エンジニアが関心を持つ唯一のジッタは、受信機が効果的に追跡できない変調レートよりもはるかに高速なジッタです。)

HDMIなどの一部のプロトコルでは、シンボル レートまたはシンボル クロックを再構築できるより低い (ただし同期された) 周波数で、信号とともにリファレンス クロックが提供されます。システム内の実際の受信機はリファレンス クロックを使用してデータをサンプリングするため、このクロックを使用して UI 境界を決定すると、アイ パターンは受信機が見るとおりに信号を忠実に表示できます。信号とリファレンス クロック間のジッターのみが表示されます。

PCIe、DisplayPort、およびほとんどのEthernetバリアントなどの高速シリアル信号のほとんどは、PLLによるクロック回復を容易にするライン コードを使用します。実際の受信機はこのように動作するため、アイ パターンのデータをスライスする最も正確な方法は、ソフトウェアで同じ特性を持つ PLL を実装することです。正しい PLL 構成により、アイは、受信機でのエラーの原因とならない拡散スペクトル クロッキングやシンボル レートのその他の長期変動の影響を隠すことができ、同時に高周波ジッタを表示することができます。

次に、サンプルは 2 次元ヒストグラムに蓄積され、X 軸は UI 内の時間、Y 軸は電圧を表します。次に、各ヒストグラム ビンの値を最大のビンの値で割って正規化します。分布のさまざまな部分を強調するために、トーン マッピング、対数スケーリング、またはその他の数学的変換を適用し、最終的な目に色のグラデーションを適用して表示します。

信号を正確に表現するには、大量のデータが必要になる場合があります。1 つのアイ パターンに数千万から数億の UI が使用されることがよくあります。以下の例では、1 万 2,000 の UI を使用したアイではアイの基本的な形状のみが示されていますが、800 万の UI を使用したアイでは立ち上がりエッジと立ち下がりエッジのニュアンスがはるかに詳細に示されています。

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  1.25 Gbit/s 信号の 12,000 UI のアイ パターン
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  1.25 Gbit/s 信号の 800 万 UI (単位間隔) のアイ パターン

ベースバンド変調の各形式は、独自の外観を持つアイ パターンを生成します。

NRZ信号のアイ パターンは、2 つの明確に異なるレベルとそれらの間のスムーズな遷移で構成されている必要があります。

MLT-3信号のアイ パターンは、3 つの明確に異なるレベル (通常、下から上に -1、0、+1) で構成されます。0 レベルはゼロ ボルトに位置し、全体的な形状は水平軸に対して対称である必要があります。+1 状態と -1 状態は、同じ振幅である必要があります。0 状態から +1 状態および -1 状態への遷移はスムーズである必要がありますが、-1 状態から +1 状態への直接遷移 (信号が MLT-3 ではなく PAM-3 であることを示す) はあってはなりません。

PAM信号のアイ パターンは、N 個の明確に異なるレベルで構成されている必要があります (PAM の順序によって異なりますが、たとえば PAM-4 には 4 つのレベルがあり、PAM-3 には 3 つのレベルがあります)。全体的な形状は水平軸を中心に対称で、すべてのレベルの間隔は均一である必要があります。

チャネルの多くの特性はアイパターンで確認できます。

信号にエンファシスを適用すると、信号の各値に対して、公称値より高い (プリエンファシスの場合) または低い (デエンファシスの場合) 追加レベルが生成されます。

強調された信号のアイ パターンは、一見すると PAM 信号のアイ パターンと間違われることがありますが、詳しく調べるといくつかの重要な違いがわかります。最も顕著なのは、強調された信号には、有効な遷移が限られていることです。

• 強い状態から対応する弱い状態（1-1 または 0-0 のビット パターン）
• 強い状態から反対の強い状態へ（1-0-1 または 0-1-0 ビット パターンの 2 番目の遷移）
• 弱い状態から反対の強い状態へ（1-1-0 または 0-0-1 ビット パターンの 2 番目の遷移）

強調された信号は、弱い状態から対応する強い状態へ、弱い状態から別の弱い状態へ遷移したり、1 UI 以上にわたって同じ強い状態に留まったりすることはありません。また、PAM 信号は通常、レベルが等間隔に配置されていますが、強調されたレベルは通常、公称信号レベルに近くなります。

プリント基板のトレースとケーブルの損失は、誘電損失により周波数とともに増加し、チャネルがローパス フィルタとして動作します。この影響により、信号の立ち上がり/立ち下がり時間が増加します。データ レートが十分に高い場合、またはチャネルの損失が十分に大きい場合、信号は高速の 0-1-0 または 1-0-1 遷移中に最大値に到達せず、いくつかの同一ビットが続いた後にのみ安定することがあります。この結果、アイが垂直に閉じます。

下の画像は、損失のあるチャネル (長さ約 12 フィート (3.65 メートル) の RG-188 同軸ケーブル) を通過した後の 1.25 Gbit/s NRZ 信号を示しています。このチャネルの損失は、DC での 0.1 dB から 6 GHz での 9 dB までほぼ直線的に増加しています。

アイの上部と下部の「レール」は、同じ値のビットがいくつか連続した後、信号が到達する最終電圧を示します。チャネルの DC 損失は最小限であるため、最大信号振幅はほとんど影響を受けません。信号の立ち上がりエッジ (0-1 パターン) を見ると、信号は -300 psあたりで横ばいになり始めますが、UI の継続時間中はゆっくりと上昇し続けます。+300 ps あたりで、信号は再び下降し始めるか (0-1-0 パターン)、ゆっくりと上昇し続けます (0-1-1 パターン)。

高周波損失が増加すると、アイの全体的な形状は徐々に正弦波に劣化し（データの高周波高調波が除去されると、残るのは基本波のみ）、振幅が減少します。

スタブ、インピーダンス不整合、および伝送ラインのその他の欠陥により、信号のエッジに欠陥として見える反射が発生する可能性があります。 1 UI を超える遅延の反射では、シンボル間干渉 (ISI)によりアイが完全に読み取れなくなることがよくありますが、遅延が短い反射ではアイの形状で簡単に確認できます。

下の画像では、約 1 インチ (25.4 mm) のオープン サーキット スタブがラインに存在し、初期の低インピーダンス効果 (振幅の減少) が発生し、その後、約 320 ps または 0.4 UI の遅延でスタブの端から正の反射が発生します。これは、立ち上がりエッジの「ステップ」として明確に確認できます。このステップでは、信号が最大値の一部まで上昇し、スタブの往復遅延の間横ばいになり、反射が到達すると最大値まで上昇します。

下の画像では、同じスタブの端にさらに 3 インチのケーブルが追加されています。同じ「ステップ」が存在しますが、長さが 4 倍になり、約 1280 ps または 1.6 UI で反射が発生します。これにより、極端な ISI が発生し (各 UI の反射が後続の UI の間に到着するため)、アイが完全に閉じられます。

アイダイアグラムから得られる測定値は数多くある：^[4]

振幅測定

• 目の振幅
• 視線交差振幅
• 視線交差率
• 目の高さ
• 目の高さ
• 目の信号対雑音比
• 品質係数
• 垂直の目開き

時間測定

• 確定的ジッタ
• 視線を交差させる時間
• 目の遅延
• 目が落ちる時間
• 目が覚める時間
• 目の幅
• 水平方向の開眼
• ピークツーピークジッタ
• ランダムジッター
• RMSジッタ
• CRCジッター
• 総ジッター

• 星座図
• 信号の整合性
• レイズドコサインフィルタ
• 消光比

• 「HP E4543A Q 係数およびアイ コンター アプリケーション ソフトウェア操作マニュアル」(PDF)。1999 年。2022年 10 月 9 日にオリジナルからアーカイブ(PDF)されました。
• 「Agilent 71501D アイ ダイアグラム解析ユーザーズ ガイド」(PDF) 。2022年 10 月 9 日にオリジナルからアーカイブ(PDF)されました。

ウィキメディア・コモンズには、アイ・ダイアグラムに関連するメディアがあります。

• ラッカーバウアー、ヘルマン。「目が生まれる」。YouTube。アイパターンの構築例のビデオを紹介します
• 高速デジタル信号を解析するためのデータアイダイアグラム手法の理解