高速信號抖動(dòng)測試解決方案

　　概述

　　在高速傳輸的數字系統或是通訊系統當中，將信號完整無(wú)缺地從傳送到目的地為其首要目標。信號在傳輸的過(guò)程當中因為傳輸線(xiàn)的損失、系統的噪聲，以及不可避免的人為因素，常使得信號失真，而傳輸抖動(dòng)之現象，乃是今日研究之重要課題。在大都會(huì )之骨干網(wǎng)絡(luò )當中，為了提升傳輸系統誤碼率之質(zhì)量，通常會(huì )以低噪聲的前置放大器作為降低噪聲以及抖動(dòng)的方法之一。通常隨著(zhù)抖動(dòng)量之增加，系統誤碼率便會(huì )提升。所以如何從正確地分析抖動(dòng)之特性以及對傳輸系統所造成之影響為本文所討論之重點(diǎn)。安捷倫提供了一系列之抖動(dòng)測試解決方案，使得用戶(hù)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(dòng)量測之開(kāi)端，從抖動(dòng)之基本定義來(lái)分析抖動(dòng)對于整體傳輸系統之影響。圖一為大都會(huì )網(wǎng)絡(luò )傳輸概念圖。

　　圖一 大都會(huì )網(wǎng)絡(luò )傳輸系統

　　定義

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

　　圖二 抖動(dòng)形成示意圖

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

　　圖3-1 取樣示波器下之眼圖

　　圖3-2 規范眼圖之屏蔽

　　所以通常通訊規范組織會(huì )定義出一種屏蔽(Mask)來(lái)判定此通訊系統是否通過(guò)該傳輸協(xié)議下之規范。另外，解析抖動(dòng)之精準度也和儀器以及系統之帶寬有極大之關(guān)系，首先要定義出抖動(dòng)傳函(Jitter Transfer)之關(guān)系圖如圖四所示：

　　圖四 抖動(dòng)傳函示意圖

　　抖動(dòng)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(dòng)大小和輸入之抖動(dòng)大小之比值對應抖動(dòng)頻率之關(guān)系示意圖。若一傳輸系統或是量測儀表之抖動(dòng)傳函帶寬越大，則解析抖動(dòng)之能力越佳。

　　圖 5-1 圖 5-2

　　圖五 解析抖動(dòng)能力之比較圖

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

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

　　本質(zhì)抖動(dòng)乃是系統端固有之抖動(dòng)，形成之原因可能是本地震蕩之誤差，或是震動(dòng)晶體所造成之誤差，它是可以預期的，也是可以被規范的。其又可分為周期性抖動(dòng)( 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(dòng)則是沒(méi)有邊界的，通常形成的原因可能為系統之熱噪聲 (Thermal Noise)，通常以隨機統計分布表來(lái)定義其大小。如圖六所示：

　　圖六 隨機統計分布示意圖

　　安捷倫抖動(dòng)量測解決方案

　　安捷倫在抖動(dòng)測試技術(shù)上已有長(cháng)達十余年之經(jīng)驗，主要可分為光通訊之抖動(dòng)量測以及數字信號抖動(dòng)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(lái)完成普通抖動(dòng)之量測，最通常之儀表則是86130A BitAlyzer 或是 N4906A SmartBERT 搭配86100B DCA 來(lái)完成。如圖七所示：

　　圖7-1 N4906A

　　圖7-2 86130A

　　圖7-3 86100B

　　以圖7-3來(lái)說(shuō)，DCA 量測普通之抖動(dòng)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(shuō)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(lái)使用的話(huà)，可利用應用軟件將本質(zhì)抖動(dòng)以及隨機抖動(dòng)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(shí)域分布關(guān)系反算抖動(dòng)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(shí)，我們也常會(huì )利用壓縮眼圖測試法來(lái)量測接收器之靈敏度。通常會(huì )在發(fā)射端加入許多種類(lèi)的抖動(dòng)來(lái)壓縮傳輸眼圖，藉此來(lái)得知接收端的靈敏度。

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

　　圖十 實(shí)時(shí)抖動(dòng)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(dòng)量之大小，藍色的部分則是統計量之分布，紅色則是抖動(dòng)之頻譜。所以實(shí)時(shí)量測所帶來(lái)之效率以及便利性是可想而知的。

　　結論：

　　抖動(dòng)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(jìn)以及信號質(zhì)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(chǎn)線(xiàn)的良率。