Ein Augendiagramm wird in der Elektrotechnik verwendet, um eine gute Vorstellung von der Signalqualität im digitalen Bereich zu bekommen. Um eine Wellenform analog zu einem Augendiagramm zu erzeugen, können wir die unendliche Nachleuchtdauer auf verschiedene analoge Signale sowie auf quasi-digitale Signale wie Rechteckwellen und Impulse anwenden, die von einem Arbiträrfrequenzgenerator (AFG) synthetisiert werden.
Das Augendiagramm hat seinen Namen von der Tatsache, dass es das Aussehen eines menschlichen Auges hat. Es wird einfach durch Überlagerung aufeinanderfolgender Wellenformen erstellt, um ein zusammengesetztes Bild zu erhalten. Das Augendiagramm wird in erster Linie dazu verwendet, digitale Signale zu betrachten, um die Auswirkungen von Verzerrungen zu erkennen und deren Quelle zu finden.
Zur Demonstration mit einem Tektronix MDO3104 Oszilloskop verbinden wir den AFG-Ausgang auf der Rückseite mit einem analogen Eingangskanal auf der Vorderseite und drücken AFG, so dass eine Sinuswelle angezeigt wird. Dann drücken wir auf Acquire. Im Menü auf der unteren Seite drücken wir den Softkey, der der Wellenformanzeige entspricht. Auf der rechten Seite stellen wir das Oszilloskop mit dem Mehrzweckknopf a auf unendliche Nachleuchtdauer ein. Es wird eine Reihe von Wellenformen übereinander angezeigt.
Es ist einfach, verschiedene Stellen in einem Schaltkreis zu untersuchen, indem man sich das Augendiagramm ansieht, um eventuelle Probleme zu lokalisieren. Wenn z. B. ein Kabel einen Fehler aufweist, der durch eine Einklemmung oder einen Knick verursacht wurde, würden sich die Augendiagramme an beiden Enden unterscheiden, und das Kabel könnte repariert oder, was wahrscheinlicher ist, das gesamte Kabel ersetzt werden.
Im Grunde genommen würde das Augendiagramm für digitale Signale aus zwei parallelen Linien bestehen, deren Anstiegs- und Abfallzeiten praktisch unsichtbar sind. In der realen Welt wird sogar ein einigermaßen gutes und akzeptables digitales Signal eine gewisse Amplituden- und Zeitabweichung aufweisen, die sich als diskrete Linien zeigen, die nicht genau dort sind, wo sie hingehören, aber dennoch ausreichen. Wenn es genug davon gibt, erscheinen verdunkelte Bereiche.
Was das Erkennen von schädlichen Anomalien angeht, ist das alles eine Frage des Grades. Es gibt keinen Ersatz für die Betrachtung von Augendiagrammen vorhandener bekannter guter Signale. Ein guter Plan wäre es, Augendiagramme von Signalen, die an verschiedenen Punkten in ordnungsgemäß funktionierenden digitalen Geräten aufgenommen wurden, auf Flash-Laufwerken zu speichern.
Es ist wichtig zu erkennen, was in einem Augendiagramm gezeigt wird und was nicht. Bei der digitalen Übertragung fließt eine Folge von Einsen und Nullen zum Empfänger. Die Übertragung kann aus einer langen Reihe von Einsen, einer langen Reihe von Nullen, einer regelmäßigen oder unregelmäßigen Folge, die sich periodisch wiederholt, einer quasi-zufälligen Folge oder einer beliebigen Kombination bestehen. Das Augendiagramm gibt Aufschluss darüber, ob alles wie vorgesehen funktioniert oder ob es Fehler gibt, die die Übertragung verstümmeln, so dass z. B. eine Null empfangen wird, obwohl eine Eins gesendet wurde.
Das Augendiagramm gibt keinen Aufschluss darüber, ob ein falscher logischer Zustand durch einen Programmierfehler oder einen Hardwarefehler gesendet wurde. Dies gilt jedoch nicht, wenn bestimmte Tests durchgeführt werden, z. B. wenn ein Übertragungsmuster an beiden Enden bekannt ist.
Die Augendiagrammanalyse liefert eine beeindruckende Menge an Informationen. Die Analyse von Augendiagrammen ist wertvoll für die Entwicklung, Fehlersuche und Wartung. Wenn die Frequenz steigt, tauchen neue Probleme auf. Übertragungsleitungsphänomene müssen verstanden und angegangen werden, insbesondere hinsichtlich der Impedanzanpassung. Geringe Herstellungs- und Installationsfehler verschlechtern die charakteristische Impedanz, und die daraus resultierenden Datenreflexionen und Kollisionen erhöhen die Fehlerquote. Selbst geringfügige Fehlkonstruktionen von Leiterbahnen oder Konstruktionsfehler können ein ganzes Netzwerk zum Absturz bringen. Die praktikabelste Methode zur Identifizierung und Lokalisierung solcher Fehler ist der Vergleich von Augendiagrammen vor und nach (in Bezug auf den Datenstrom).
Wenn der Fluss durch einen Takt gesteuert wird, kann das Oszilloskop ein Augendiagramm durch Überlagerung aufeinander folgender Segmente erzeugen. Die Triggerung kann bei steigenden oder fallenden Flanken erfolgen. Das resultierende Augendiagramm wird mehr oder weniger stark von dem rechteckigen Kasten abweichen, der einer perfekten Übertragung entsprechen würde.
Der obere Balken in einem Augendiagramm ist das Ergebnis diskreter hoher logischer Zustände, die vertikal, aber nicht horizontal zusammenfallen. Sich überschneidende niedrige logische Zustände erzeugen den durchgehenden unteren Balken. Die allgegenwärtigen X, die ein vertrautes Merkmal von Augendiagrammen sind, sind auf steigende und fallende Flanken zurückzuführen, die sich in regelmäßigen Abständen überlagern.
Die digitale Hochgeschwindigkeitsübertragung ist durch die Einführung von Jitter in das Signal gekennzeichnet. Es ist zu erwarten, dass ein elektronisches Signal bis zu einem gewissen Grad periodisch ist. Jitter ist die Abweichung von dieser Periodizität und als solche schädlich für die Signaltreue. Was auf der Empfängerseite erscheint, entspricht nicht dem, was auf der Sendeseite beabsichtigt war, wenn ein gewisses Maß an Jitter vorhanden ist. Dies gilt für Amplitude, Frequenz und Phase. Dementsprechend können wir Jitter als eine Art Timing-Fehler definieren, eine Folge von Anstiegs- und Abfallzeitfehlern. Natürlich ist Jitter in einem Augendiagramm deutlich zu erkennen. Unterm Strich entsteht Jitter durch eine Kombination von Interferenzen zwischen Symbolen, Übersprechen, Reflexionen, thermischen Effekten und verschiedenen Zufallsphänomenen, die in elektronischen Systemen allgegenwärtig sind.
Eine höhere Bitrate bedeutet immer eine vertikal kleinere Augenöffnung. Gleichzeitig machen Timing-Fehler, die sich in Jitter äußern, einen größeren Teil der Wellenform aus, so dass wir nach mehr Datenfehlern suchen können.
Schlechte Abschlüsse an den Medienenden erhöhen die Zahl der Datenreflexionen, was sich auch im Aussehen des Augendiagramms zeigt. Linien, die einem einzigen Pfad folgen sollten, werden stärker voneinander getrennt, was zu einem chaotischen Erscheinungsbild im Augendiagramm führt, ein sicheres Zeichen dafür, dass es Probleme im System gibt.
Die Augendiagramm-Analyse ist nicht dasselbe wie eine Bitfehlerraten-Untersuchung, aber die beiden Techniken werden oft in Verbindung verwendet.
Die Bitfehlerrate (BER) wird als die Anzahl der Bitfehler pro Zeiteinheit berechnet. Bitsynchronisationsfehler sind ein Faktor, ebenso wie Verzerrungen, Interferenzen und Rauschen. Die BER wird in der Regel als Prozentsatz angegeben. Sie kann automatisch erkannt und in einer alphanumerischen Anzeige dargestellt werden, so dass diese Kennzahl im Rahmen routinemäßiger Wartungsinspektionen überprüft und protokolliert werden kann, was oft auf sich entwickelnde Probleme hinweist, die einem tatsächlichen Ausfall vorausgehen.
Eng verwandt ist die Paketfehlerrate (PER). Ein Paket gilt als fehlerhaft, wenn es ein oder mehrere ungültige Bits enthält. Frames, Blöcke und Symbole werden einer ähnlichen Analyse unterzogen. Bei der drahtlosen Übertragung kann die BER mit ungünstigen Witterungsbedingungen oder ungewöhnlichen Ursachen wie dem jahreszeitlich bedingten Wegfall von Laubbäumen zusammenhängen, die sich auf den Signalpfad auswirken.
Die Qualität der Signalübertragung kann mit einem Bit Error Ratio Tester (BERT) überprüft werden, einem tragbaren Instrument zur Messung der Auswirkungen von Rauschen, Verzerrungen usw. Dieses Gerät enthält einen Mustergenerator, einen Fehlerdetektor, einen Taktsignalgenerator zur Synchronisierung dieser Blöcke, einen digitalen Kommunikationsanalysator zur Anzeige der gesendeten und empfangenen Signale sowie Geräte zur Umwandlung von elektrischen in optische und von optischen in elektrische Signale.
Die gängigste Methode zur Signalunterscheidung besteht darin, dass die Empfangsseite zu einem bestimmten Zeitpunkt feststellt, ob das eingehende Signal höher oder niedriger als ein bestimmter Spannungspegel ist. Dadurch wird bestimmt, ob das empfangene Signal logisch hoch oder logisch niedrig ist.
Der Abgrenzungspunkt kann in der Wellenform verschoben werden. Die übliche Lösung besteht darin, ihn weit weg von High-Pegel, Low-Pegel, steigender oder fallender Flanke zu platzieren. Auf diese Weise befindet er sich in der Nähe der Mitte des Auges, wo er leicht identifiziert werden kann.
Als experimentelles Hilfsmittel zur Bewertung von Geräten, Schaltkreisen, Anlagen oder ganzen Netzen ist das Augendiagramm hervorragend geeignet, da es die Gesamtwirkung von Störungen oder Wellenformen aufgrund von Intersymbol-Interferenzen oder EMI-Effekten zeigt. Darüber hinaus können diese Störungen lokalisiert werden, indem man die Veränderungen im Augendiagramm beobachtet, wenn die Sonde bewegt wird. Änderungen in der Kabelführung und Anpassungen der charakteristischen Impedanz werden sich bei der Untersuchung der Augenmuster anbieten.