Eye Opening Monitor (EOM)

 

 

 

Eye Opening Monitor(EOM)는 고속 직렬 통신 IC에 내장된(On-Chip) 신호 품질 모니터링 기능이다. EOM을 이해하려면 먼저 Eye Diagram에 대해 알고 있을 필요가 있다.

 

Eye Diagram이란?

아이 다이어그램(Eye Diagram)은 오실로스코프 등 계측기를 이용해 고속 디지털 신호를 기준 클록에 동기화하여 샘플링한 뒤 1 비트 구간(Unit Interval)의 파형들을 화면에 중첩해 표시한 것이다. 파형이 마치 사람의 눈 모양과 비슷해 보인다해서 붙여진 이름이다.

 

신호의 품질, 지터, 노이즈, 상승/하강 시간 등을 한눈에 파악하고 평가하기 위해서 사용한다.

 

 

눈의 개방도(Eye Opening)

눈이 크게 열려 있을수록 신호의 품질이 좋고 비트 오류율(BER, Bit Error Rate)가 낮다고 평가한다.

 

 

 

눈이 가로로 좁은 경우

눈의 가로폭이 좁을 수록 타이밍 지터(Jitter)가 심해, 데이터 복원이 어렵고 BER이 높아진다. 보통 수신기는 비트 타임의 중앙에서 샘플링을 할텐데 지터가 크면 샘플링 시점이 전이 구간에 걸려 0을 1로 잘못 읽거나 1을 0으로 잘못 읽을 확률이 커진다. 수신기 입장에선 이를 수평 마진이 작다고 표현한다.

 

✓ 지터(Jitter) : 신호의 전이 구간(Transition Edge)이 이상적인 기준점에서 벗어나 흔들리는 정도

 

 

눈이 세로로 좁은 경우

눈의 세로폭이 좁을수록 Logic 0과 Logic 1의 전압 차이가 적다는 뜻이다. 수신기의 비교기가 사용하는 기준 전압과 실제 신호 사이의 판별 마진이 작으므로, 미세한 전압 노이즈만 발생해도 신호의 논리 상태를 잘못 읽을 수 있다. 수신기 입장에서는 이를 수직 마진이 적다고 표현하며, 신호 대 잡음비(SNR)가 낮아진 상태를 의미한다.

 

 

 

 

 

 

 

EOM(Eye Opening Monitor)의 측정 방식

Eye Diagram이 실제 신호를 관찰하는 방식이라면, EOM은 기준점을 옮겨가며 추가로 샘플링을 해서 얼마나 기준점을 벗어나 읽어도 데이터가 일관되게 읽히나를 보고 판별 마진을 평가하는 것이다.

 

EOM엔 실제 데이터를 읽는 Main Sampler 외에, 위치를 임의로 조절할 수 있는 Monitor Sampler가 추가로 존재한다. 이 모니터 샘플러가 기준점(전압/시간)을 옮겨가며 읽은 값이 메인 샘플러가 읽은 값과 일치하는지를 XOR 비교기로 체크하여 수직 마진과 수평 마진을 계산한다.

 

• 기준점을 수평 이동 시키는 방법 : Phase Interpolator를 사용해서 샘플링 클록의 위상을 미세하게 쪼개고, 모니터 샘플러의 샘플링 시점을 좌우로 이동시킨다.
• 기준점을 수직 이동 시키는 방법 : 내부 DAC를 이용해 모니터 샘플러 비교기의 기준 전압(Vref)을 상하로 움직인다.

 

 

 

 

EOM 결과는 보통 격자(Grid) 시스템을 통해 수치화된다. 예를 들어 TI LMH12XX 시리즈는 64x64 격자를 사용하며, 다음 절차로 수평 마진과 수직 마진을 산출한다.

 

1. 64x64 격자의 각 셀(Cell)마다 일정 시간 동안 메인 샘플러와 모니터 샘플러의 값을 비교한다. 두 값이 다를 경우 해당 셀은 신호가 불안정한 에러 영역으로 판단하여 Hit Count를 누적한다.
2. 수집된 데이터에서 수직 방향으로 인접한 셀끼리 Hit Count를 감산해서, 비트 오류가 발생하기 시작하는 경계선(=실제 신호가 지나가는 궤적)을 더욱 명확하게 추출한다.
3. 측정된 Hit Count 중 최대값을 기준으로 전체 데이터를 정규화한다.
4. 정규화된 데이터에서 Hit Count가 0인 영역을 Eye Opening으로 정의한다. 이 영역이 곧 수신기가 데이터를 안정적으로 판별할 수 있는 마진이 된다.
5. 판별된 Eye Opening 영역에서 가장 넓은 수평 거리와 가장 높은 수직 길이를 측정하여 수평 마진 HEO와 수직 마진 VEO를 산출한다.

 

• HEO (Horizontal Eye Opening) : 에러가 없는 수평 격자의 개수를 전체 단계 수(64)로 나눈 값
  
  • ex. 에러 없는 칸이 58칸일 경우, 58/64 = 0.9 UI (90% 개방)
  • 에러가 있는 6칸이 Jitter임
  • LMH1297은 0.45UI 이상 마진 확보를 권장함
• VEO (Vertical Eye Opening) : 에러가 없는 수직 격자의 개수에 단계당 전압 해상도(ex: 12.5mV)를 곱한 값
  • ex. 에러 없는 칸이 25칸일 경우, 25 × 12.5mV = 312mV
  • LMH1297은 150mV 이상의 마진 확보를 권장함

 

 

 

 

 

EOM을 사용하는 이유?

Eye Diagram을 측정하려면 오실로스코프 등 고가의 장비를 매번 물리적으로 연결해야 하지만, EOM은 칩 내부(On-chip)에 있어 통신 중에도 실시간 마진 측정이 가능하다.

 

또한, 구현에 따라 측정된 마진 데이터를 바탕으로 칩이 스스로 Equalizer(EQ) 등의 설정을 튜닝하여 신호 품질을 실시간으로 개선할 수 있고, 노이즈 마진이 임계값 이하로 떨어지면 인터럽트를 발생시켜 시스템에 경고를 보낼 수도 있다.