高速信號抖動測試解決方案

　　概述

　　在高速傳輸的數字系統(tǒng)或是通訊系統(tǒng)當中，將信號完整無缺地從傳送到目的地為其首要目標。信號在傳輸的過程當中因為傳輸線的損失、系統(tǒng)的噪聲，以及不可避免的人為因素，常使得信號失真，而傳輸抖動之現(xiàn)象，乃是今日研究之重要課題。在大都會之骨干網絡當中，為了提升傳輸系統(tǒng)誤碼率之質量，通常會以低噪聲的前置放大器作為降低噪聲以及抖動的方法之一。通常隨著抖動量之增加，系統(tǒng)誤碼率便會提升。所以如何從正確地分析抖動之特性以及對傳輸系統(tǒng)所造成之影響為本文所討論之重點。安捷倫提供了一系列之抖動測試解決方案，使得用戶能在準確而快速的狀況下取得適合的數據，亦能提供詳細之報表以作分析之用。本文將以眼圖作為抖動量測之開端，從抖動之基本定義來分析抖動對于整體傳輸系統(tǒng)之影響。圖一為大都會網絡傳輸概念圖。

　　圖一 大都會網絡傳輸系統(tǒng)

　　定義

　　任何數字傳輸系統(tǒng)必定存在兩種構成要素，一是本質數字信號( Deterministic Digital Signal)，另一則是時鐘信號( Clock Signal)。時鐘信號又分為標準時鐘信號(Standard Clock)及依附時鐘信號(Embedded C lock)。所謂的抖動現(xiàn)象，乃是指本質數字信號與時鐘信號所產生的一種相位差，亦可看做是一種相位調變信號。而在這時候，時鐘信號所扮演的是一種標準之參考信號。這種時間差的相位變化，經過了一段時間可能形成一種周期性的正弦調變現(xiàn)象，而將其稱之為時域抖動現(xiàn)象，如圖二所示：

　　圖二 抖動形成示意圖

　　抖動的形成通常我們會使用取樣示波器(Sampling Scope)來擷取其眼圖(Eye Diagram)，根據眼圖之基本特性，來觀察其系統(tǒng)是否超過應有遵循之規(guī)范由圖三可知，從交叉點(Crossing Poin)的寬度，即可得知抖動的大小。一般來說，在傳輸系統(tǒng)中發(fā)射端能產生多少抖動，以及接收端能承受多大范圍之抖動，都必須要有明確的規(guī)范與定義。

　　圖3-1 取樣示波器下之眼圖

　　圖3-2 規(guī)范眼圖之屏蔽

　　所以通常通訊規(guī)范組織會定義出一種屏蔽(Mask)來判定此通訊系統(tǒng)是否通過該傳輸協(xié)議下之規(guī)范。另外，解析抖動之精準度也和儀器以及系統(tǒng)之帶寬有極大之關系，首先要定義出抖動傳函(Jitter Transfer)之關系圖如圖四所示：

　　圖四 抖動傳函示意圖

　　抖動傳函之定義就好比放大器之頻率響應一般，即是輸出之抖動大小和輸入之抖動大小之比值對應抖動頻率之關系示意圖。若一傳輸系統(tǒng)或是量測儀表之抖動傳函帶寬越大，則解析抖動之能力越佳。

　　圖 5-1 圖 5-2

　　圖五 解析抖動能力之比較圖

　　由圖5-1 可看出若此系統(tǒng)之帶寬越大，所解析出來之抖動現(xiàn)象越差，會呈現(xiàn)較粗之眼圖以及不易辨識之本質抖動(Deterministic Jitter)。圖5-2 乃是帶寬較大之系統(tǒng)，其可解析出更為精密細致之抖動現(xiàn)象，由此便可反推抖動形成之原因及電路設計須要改進之地方。

　　附帶要提起的是，抖動又可分為本質抖動( Deterministic Jitter)和隨機抖動(Random Jitter)兩種：

　　本質抖動乃是系統(tǒng)端固有之抖動，形成之原因可能是本地震蕩之誤差，或是震動晶體所造成之誤差，它是可以預期的，也是可以被規(guī)范的。其又可分為周期性抖動( Periodic Jitter)、周期比例失真(Duty Cycle Distortion)以及交越干擾失真( Inter-Symbol Interference)三種。而隨機抖動則是沒有邊界的，通常形成的原因可能為系統(tǒng)之熱噪聲 (Thermal Noise)，通常以隨機統(tǒng)計分布表來定義其大小。如圖六所示：

　　圖六 隨機統(tǒng)計分布示意圖

　　安捷倫抖動量測解決方案

　　安捷倫在抖動測試技術上已有長達十余年之經驗，主要可分為光通訊之抖動量測以及數字信號抖動測試。在光通訊方面最基本的便是誤碼測試儀( BERT)搭配取樣 示波器來完成普通抖動之量測，最通常之儀表則是86130A BitAlyzer 或是 N4906A SmartBERT 搭配86100B DCA 來完成。如圖七所示：

　　圖7-1 N4906A

　　圖7-2 86130A

　　圖7-3 86100B

　　以圖7-3來說，DCA 量測普通之抖動最小可達到800fs，如果使用86107A Precis ion Time Base之模塊可達到200fs 之精準度，可說是目前世界上精準度最高之取樣示波器。若搭配誤碼測試儀來使用的話，可利用應用軟件將本質抖動以及隨機抖動利用浴缸法則(Bathtub Method)將其分離以及計算其大小。如圖八所示：它是利用誤碼率之臨界值(Threshold Value)以及眼圖之時域分布關系反算抖動之大小。

　　圖八 浴缸法則應用軟件

　　圖九 壓縮眼圖測試法

　　另外在做Gigabit Ethernet 時，我們也常會利用壓縮眼圖測試法來量測接收器之靈敏度。通常會在發(fā)射端加入許多種類的抖動來壓縮傳輸眼圖，藉此來得知接收端的靈敏度。

　　另外在量測數字信號傳輸系統(tǒng)時，最常量測的則是實時抖動量測(Re al Time Jitter Test)，其中包含了時域區(qū)間誤差(TIE; Time Interval Error)以及抖動頻譜(Jitter Spectrum)，時鐘信號的部分則包含了周期性抖動測試、Cycle to Cycle 測試以及N-Cycle 測試如圖十所示：

　　圖十 實時抖動量測示意圖

　　上圖是使用安捷倫54855A 數字示波器所量測得知的數據，黃色信號代表的是原始信號，紫色代表的是抖動量之大小，藍色的部分則是統(tǒng)計量之分布，紅色則是抖動之頻譜。所以實時量測所帶來之效率以及便利性是可想而知的。

　　結論：

　　抖動量測乃是數字通訊不可或缺一環(huán)，在今日信號傳輸速度日益增進以及信號質量的提升，誤碼率的測試亦是重要的一環(huán)，安捷倫提供了完整之測試設備以及完整的測試解決方案提供業(yè)界快捷而迅速之報表，可提升研發(fā)的速度以及產線的良率。