نمط العين في إشارات الاتصالات - Eye Pattern

يستخدم مخطط العين في الهندسة الكهربائية للحصول على فكرة جيدة عن جودة الإشارة في المجال الرقمي، ولإنشاء شكل موجة مشابه لمخطط العين حيث يمكننا تطبيق ثبات غير محدود على إشارات تمثيلية مختلفة وكذلك على الإشارات شبه الرقمية مثل الموجة المربعة والنبضة كما تم توليفها بواسطة مولد تردد عشوائي (AFG).

ما هو مخطط العين – Eye Pattern؟

مخطط العين (Eye Pattern): هو قياس بديل مهم آخر لمعدل الخطأ في البتات لأنظمة (OOK) الثنائية أي (Open and Off key)، كما يوجد هناك نوعان من الضوضاء التي يمكن أن تؤثر على أداء النظام هي ضوضاء الاتساع وتذبذب التوقيت.

لا يمكن للقياس البسيط لمعدل الخطأ في البتات أن يفصل بين التأثيرين حيث يوفر مخطط العين مزيداً من المعلومات حول كليهما خاصةً اهتزاز الوقت كما يقيس نسبة الانقراض، وعادةً ما يتضمن قياس مخطط العين التقليدي استخدام راسم الذبذبات الرقمي ويتطلب جمع الكثير من البيانات والأمر الذي يستغرق وقتاً، وبالتالي فهي غير مناسبة للمعالجة في الوقت الفعلي حيث سيتم تحسين ذلك للأنظمة المستقبلية باستخدام معالجة الإشارات الرقمية (DSP).

يأخذ مخطط العين اسمه من حقيقة أنّه يشبه عين الإنسان حيث يتم إنشاؤه ببساطة عن طريق تراكب أشكال الموجة المتعاقبة لتشكيل صورة مركبة، كما يستخدم مخطط العين بشكل أساسي للنظر في الإشارات الرقمية بغرض التعرف على تأثيرات التشويه وإيجاد مصدره.

آلية الحصول على مخطط العين:

عند استخدام راسم الذبذبات (Tektronix MDO3104) تقوم بتوصيل ناتج (AFG) على اللوحة الخلفية بقناة إدخال تمثيلية على اللوحة الأمامية واضغط على (AFG) حتى تظهر موجة جيبية ثم نضغط على (Acquire) من القائمة الموجودة في الجزء السفلي ثم الضغط على المفتاح المرن الذي يتوافق مع (Waveform Display) على اليمين يتم استخدام المقبض متعدد الأغراض لضبط راسم الذبذبات من أجل ثبات غير محدود بحيث يظهر سلسلة متوالية من أشكال الموجة الواحدة تلو الأخرى.

من السهل فحص مواقع مختلفة في الدائرة والنظر إلى مخطط العين لتحديد موقع أي مشاكل، فعلى سبيل المثال إذا حدث خطأ في تشغيل الكبل بسبب الضغط أو الالتواء، فستختلف مخططات العين التي تمت ملاحظتها في كلا الطرفين ويمكن إصلاح الكابل أو على الأرجح يمكن استبدال التشغيل بالكامل.

من الناحية المثالية سيتألف مخطط العين للإشارات الرقمية من خطين متوازيين مع صعود وهبوط لحظي مرات غير مرئية تقريباً، أمّا في العالم الواقعي حتى الإشارة الرقمية الجيدة والمقبولة تماماً ستظهر قدراً من التباين في السعة والتوقيت والتي ستظهر كخطوط منفصلة ليست بالضبط المكان الذي تنتمي إليه ولكنّها مع ذلك ستكون كافية، وإذا كان هناك ما يكفي منهم فستظهر مناطق مظلمة.

فيما يتعلق بتحديد الانحرافات الضارة، فإنّ هذا كله مسألة درجة حيث لا يوجد بديل للنظر إلى مخططات العين للإشارات الجيدة المعروفة الموجودة، كما تتمثل الخطة الجيدة في حفظ مخططات العين في محركات أقراص فلاش من الإشارات المأخوذة في نقاط مختلفة في المعدات الرقمية التي تعمل بشكل صحيح.

من المهم أن تدرك ما يظهر في مخطط العين وما لا يظهر حيث في الإرسال الرقمي تتدفق سلسلة من الآحاد والأصفار إلى جهاز الاستقبال، كما يمكن أن يتكون الإرسال من سلسلة طويلة من الآحاد أو سلسلة طويلة من الأصفار أو تسلسل منتظم أو غير منتظم يتكرر بشكل دوري أو سلسلة شبه عشوائية أو أي مجموعة حيث سيكشف مخطط العين ما إذا كان كل شيء يعمل على النحو المنشود أو إذا كانت هناك أخطاء تشوّه الإرسال ممّا يتسبب على سبيل المثال في استقبال الصفر عند إرسال واحد.

لن يكشف مخطط العين عما إذا تم إرسال حالة منطقية غير صحيحة من خلال خطأ في البرمجة أو خطأ في الجهاز، ومع ذلك لا ينطبق هذا عند إجراء اختبارات معينة كما هو الحال عندما يكون نمط الإرسال معروفاً عند كلا الطرفين.

ماذا ينتج عن مخطط العين؟

1. ينتج عن تحليل مخطط العين كميات رائعة من المعلومات، كما يُعد تحليل مخطط العين ذا قيمة في التصميم وتصحيح الأخطاء والصيانة، ومع زيادة التردد تظهر قضايا جديدة حيث يجب فهم ظواهر خط النقل ومواجهتها، خاصة فيما يتعلق بمطابقة المعاوقة، كما تؤدي أخطاء التصنيع والتركيب الطفيفة إلى تدهور الممانعة المميزة وتزيد الانعكاسات والاصطدامات الناتجة عن البيانات من نسبة الخطأ.
   حتى التصميم الخاطئ الطفيف لتتبع ثنائي الفينيل متعدد الكلور أو خطأ في البناء يمكن أن يؤدي إلى انهيار الشبكة بالكامل، أمّا الطريقة الأكثر قابلية للتطبيق لتحديد هذه الأخطاء وتحديد موقعها هي المقارنة قبل وبعد أي فيما يتعلق بتدفق البيانات مخططات العين.
   
2. عندما يتم التحكم في التدفق بواسطة ساعة، يمكن أن يولد راسم الذبذبات مخططاً للعين من خلال تراكب المقاطع المتتالية، وقد يحدث الزناد على الحواف الصاعدة أو الهابطة، كما سينحرف مخطط العين الناتج بدرجة أكبر أو أقل عن المربع والمستطيل الذي يتوافق مع إرسال مثالي.
   
3. الشريط العلوي في مخطط العين هو نتيجة حالات منطقية عالية منفصلة تتطابق عمودياً ولكن ليس أفقياً، أمّا في حالات المنطق المنخفضة المتداخلة تخلق الشريط السفلي المستمر، كما ترجع (X_s) المنتشرة في كل مكان والتي تعتبر سمة مألوفة لمخططات العين إلى ارتفاع وانخفاض الحواف التي يتم فرضها على فترات منتظمة.
   

ميزات مخطط نمط العين:

1. يتميز الإرسال الرقمي عالي السرعة بإدخال إشارة الارتعاش، ومن المتوقع أن تكون الإشارة الإلكترونية دورية إلى حد ما، أمّا الارتعاش هو الانحراف عن هذه الدورية وبالتالي فهو ضار من حيث دقة الإشارة وما يظهر عند الطرف المستقبل لا ينطبق على القصد عند نهاية الإرسال عند وجود أي درجة من الارتعاش، وهذا ينطبق على السعة والتردد والمرحلة.
   قد نعرّف الارتعاش بأنّه نوع من خطأ التوقيت نتيجة لخطأ وقت الصعود والهبوط، وهو غني عن القول أنّ الارتعاش يظهر بوضوح في مخطط العين، وخلاصة القول هي أنّها تنشأ من مزيج من التداخل بين الرموز والتداخلات والانعكاسات والتأثيرات الحرارية والظواهر العشوائية المختلفة المنتشرة في كل مكان في الأنظمة الإلكترونية.
   
2. يُترجم معدل البت الأعلى دائماً إلى فتحة عين أصغر رأسياً وفي الوقت نفسه يشتمل خطأ التوقيت كما يتجلى في الارتعاش على جزء أكبر من شكل الموجة، لذلك قد نبحث عن المزيد من أخطاء البيانات.
   
3. تؤدي الإنهاءات الضعيفة في نهايات الوسائط إلى زيادة عدد انعكاسات البيانات وهي حقيقة حيث تم الكشف عنها في مظهر مخطط العين، كما تصبح الخطوط التي يجب أن تتبع مساراً واحداً أكثر فصلاً، ممّا يؤدي إلى ظهور فوضوي في مخطط العين وهي علامة أكيدة على وجود مشاكل في النظام.
   
4. يختلف تحليل مخطط العين عن تحقيق معدل خطأ البت، ولكن غالبًا ما يتم استخدام التقنيتين جنباً إلى جنب.
   

يتم حساب معدل أخطاء البت (BER) على أنّه عدد أخطاء البتات لكل وحدة زمنية حيث تعتبر أخطاء تزامن البتات عاملاً بالإضافة إلى التشويه والتداخل والضوضاء، وعادةً ما يتم التعبير عن معدل الخطأ في البتات كنسبة مئوية، كما يمكن اكتشافه وعرضه تلقائياً في قراءة أبجدية رقمية، لذلك يمكن فحص هذا المقياس وتسجيله في سياق عمليات فحص الصيانة الروتينية وغالباً ما يشير إلى تطوير المشكلات التي تسبق الانقطاع الفعلي.

يرتبط معدل خطأ الحزمة (PER) ارتباطاً وثيقاً في مخطط العين حيث تعتبر الحزمة غير صحيحة إذا كانت تحتوي على بت واحد أو أكثر من وحدات البت غير الصالحة، أمّا الإطارات والكتل والرموز تخضع لتحليل مماثل، وفي الإرسال اللاسلكي قد يكون معدل الخطأ في البتات مرتبطاً بالظروف الجوية السيئة أو لأسباب غريبة مثل ترك الأشجار الموسمية للأشجار المتساقطة التي تؤثر على مسار الإشارة.

الطريقة الأكثر شيوعاً لتمييز الإشارة هي أن يحدد الطرف المستقبل في لحظة معينة ما إذا كانت الإشارة الواردة أعلى أو أقل من مستوى الجهد المحدد حيث يحدد هذا ما إذا كانت الإشارة المستقبلة عالية أو منطقية منخفضة، كما يمكن تحريك نقطة الترسيم على شكل الموجة، والحل المعتاد هو وضعه بعيداً عن المستوى العالي أو المستوى المنخفض أو الحافة الصاعدة أو حافة السقوط، وبهذه الطريقة ستكون بالقرب من مركز العين حيث يمكن التعرف عليها بسهولة.

كأداة تجريبية لتقييم الأجهزة أو الدوائر أو المعدات أو الشبكات بأكملها، يُعد مخطط العين رائعاً لأنّه يوضح التأثير الكلي لأي ضوضاء أو شكل موجة بسبب التداخل بين الرموز أو تأثيرات (EMI)، وعلاوة على ذلك يمكن توطين هذه الاضطرابات من خلال ملاحظة التغييرات في نمط العين أثناء تحريك الفحص حيث تقترح التغييرات في توجيه الكبل وتعديلات المعاوقة المميزة نفسها أثناء دراسة أنماط العين.

مخطط العين: هو مؤشر شائع لجودة الإشارات في عمليات الإرسال الرقمية عالية السرعة حيث يُنشئ راسم الذبذبات مخططاً للعين عن طريق تراكب عمليات المسح لأجزاء مختلفة من دفق بيانات طويل مدفوعاً بساعة رئيسية، وقد تكون حافة التشغيل موجبة أو سلبية، ولكن النبض المعروض الذي يظهر بعد فترة تأخير قد يتحرك في أي اتجاه زلا توجد طريقة لمعرفة قيمة البت التعسفي مسبقاً، لذلك عندما يتم تراكب العديد من هذه التحولات يتم فرض النبضات الإيجابية والسلبية على بعضها البعض، كما ينتج عن تراكب العديد من البتات رسم تخطيطي للعين، وهذا ما يسمى لأنّ الصورة الناتجة تبدو مثل فتحة العين.