Patrón ocular

El primer paso para calcular un diagrama de ojo consiste normalmente en obtener la forma de onda que se analiza de forma cuantificada. Esto puede hacerse 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 ambos enfoques: simular los efectos de un circuito o línea de transmisión arbitraria sobre una señal medida, por ejemplo, para determinar si una señal seguirá siendo inteligible después de pasar por un cable largo. En este punto, también se puede aplicar la interpolación para aumentar el número de muestras por intervalo unitario (IU) y producir un gráfico suave y sin interrupciones, 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 ello, dependiendo de las características de la señal y de las capacidades del osciloscopio y el software utilizados. Este paso es fundamental para una visualización precisa de la fluctuación temporal en el ojo.

Las muestras se acumulan en un histograma bidimensional , donde el eje X representa el tiempo dentro de la interfaz de usuario y el eje Y el voltaje. Este se normaliza dividiendo el valor de cada intervalo del histograma por el valor del intervalo más grande. Se pueden aplicar transformaciones tonales , escalado logarítmico u otras transformaciones matemáticas para resaltar diferentes partes de la distribución, y se aplica un gradiente de color al ojo final para su visualización.

Para obtener una representación precisa de la señal, se pueden necesitar grandes cantidades de datos; con frecuencia se utilizan decenas o cientos de millones de interfaces de usuario (IU) para un solo patrón ocular. En el ejemplo siguiente, el ojo que utiliza doce mil IU solo muestra la forma básica, mientras que el que utiliza ocho millones de IU muestra muchos más matices en los bordes ascendentes y descendentes.

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  Diagrama de ojo de doce mil UI de una señal de 1,25 Gbit/s
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  Diagrama de ojo de ocho millones de UI (intervalos unitarios) de una señal de 1,25 Gbit/s

El patrón de ojo de una señal NRZ debe constar de dos niveles claramente distintos con transiciones suaves entre ellos.

El diagrama de ojo de una señal MLT-3 debe constar de tres niveles claramente diferenciados (nominalmente -1, 0, +1 de abajo hacia arriba). El nivel 0 debe estar ubicado 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 (lo que indicaría que la señal es PAM-3 en lugar de MLT-3).

El diagrama de ojo de una señal PAM debe constar de N niveles claramente diferenciados (dependiendo del orden de PAM; por ejemplo, PAM-4 debe tener cuatro niveles y PAM-3, tres). La forma general debe ser simétrica con respecto al eje horizontal y el espaciado entre todos los niveles debe ser uniforme.

Al aplicar énfasis a una señal, se produce un nivel adicional para cada valor de la señal, que es mayor (en el caso de preénfasis) o menor (en el caso de desénfasis) que el valor nominal.

El patrón ocular de una señal con énfasis puede confundirse a primera vista con el de una señal PAM; sin embargo, una inspección más detallada revela algunas diferencias clave. Lo más notable es que una señal con énfasis tiene un conjunto limitado de transiciones permitidas:

• Estado fuerte a estado débil correspondiente (patrón de bits 1-1 o 0-0)
• De estado fuerte a estado fuerte opuesto (segunda transición de un patrón de bits 1-0-1 o 0-1-0)
• Estado débil a estado fuerte opuesto (segunda transición de un patrón de bits 1-1-0 o 0-0-1)

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 unidad de interfaz (UI). Una señal PAM también suele tener niveles igualmente espaciados, mientras que los niveles enfatizados suelen estar más cerca del nivel nominal de la señal.

La pérdida en las pistas y cables de las placas de circuitos impresos aumenta con la frecuencia debido a la pérdida dieléctrica , lo que provoca que el canal se comporte como un filtro de paso bajo . Esto conlleva un aumento en el tiempo de subida/bajada de la señal. Si la velocidad de datos es suficientemente alta o el canal presenta pérdidas significativas, es posible que la señal ni siquiera alcance su valor máximo durante una transición rápida de 0-1-0 o 1-0-1, y que solo se estabilice tras una secuencia de varios bits idénticos. Esto da como resultado el cierre vertical del diagrama de ojo.

La imagen que se muestra a continuación ilustra una  señal NRZ de 1,25 Gbit/s tras pasar por un canal con pérdidas: un cable coaxial RG-188 de aproximadamente 3,7 metros (12 pies ) de longitud. Este canal presenta pérdidas que aumentan de forma bastante lineal, desde 0,1 dB en CC hasta 9 dB a 6 GHz.  

Los límites superior e inferior del diagrama de ojo muestran la tensión final que alcanza la señal tras varios bits consecutivos con el mismo valor. Dado que el canal presenta una pérdida mínima en CC, la amplitud máxima de la señal permanece prácticamente inalterada. Al observar el flanco ascendente de la señal (un patrón 0-1), podemos ver que la señal comienza a estabilizarse alrededor de -300 ps , ​​pero continúa ascendiendo lentamente durante la duración del intervalo de interfaz. Alrededor de +300 ps, ​​la señal comienza a descender de nuevo (un patrón 0-1-0) o continúa ascendiendo 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 mayor frecuencia de los datos, solo queda la fundamental) y disminuye su amplitud.

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 retardo mayor a una unidad de interfaz (UI) suelen hacer que el diagrama de ojo sea completamente ilegible debido a la interferencia entre símbolos (ISI) ; sin embargo, aquellas con un retardo menor se pueden observar fácilmente en la forma del diagrama de ojo.

En la imagen inferior, se observa un segmento de línea de aproximadamente 25 mm (1 pulgada ) en circuito abierto, que produce un efecto inicial de baja impedancia (amplitud reducida) seguido de una reflexión positiva en el extremo del segmento con un retardo de unos 320 ps o 0,4 UI. Esto se aprecia claramente como un "escalón" en el flanco ascendente, donde la señal aumenta hasta una fracción de su valor máximo, se estabiliza durante el retardo de ida y vuelta del segmento y, finalmente, alcanza su valor máximo cuando llega la reflexión. 

En la imagen inferior, se añaden tres pulgadas de cable al extremo del mismo segmento. El mismo "escalón" está presente, pero ahora es cuatro veces más largo, lo que produce reflexiones a unos 1280 ps o 1,6 UI. Esto genera una interferencia intersímbolo extrema (ya que la reflexión de cada UI llega durante la UI subsiguiente), lo que provoca el cierre total del ojo.