誤碼分析

誤碼分析 ----使用誤碼分析儀快速達(dá)成波罩測(cè)試(Mask Test)，抖動(dòng)(Jitter)與誤碼分析(BER testing)
    高速通訊量測(cè)大多可藉由以下幾種分析來完成，眼圖波罩 (Eye Diagram Mask)測(cè)試，抖動(dòng)(Jitter)分析測(cè)試，以及誤碼率測(cè)試等。上述幾項(xiàng)大多已在工業(yè)界已制定標(biāo)準(zhǔn)，或是在生產(chǎn)線上自訂相關(guān)測(cè)試項(xiàng)目，并可提供較方便快速的方法來規(guī)范其組件品質(zhì)能達(dá)到一定的水平。
    一般說來，眼圖波罩(Eye Mask)測(cè)試大多使用一些高準(zhǔn)確性的數(shù)字通信分析儀，如取樣示波器配備極高頻寬與極低抖動(dòng)時(shí)基，重復(fù)性與穩(wěn)定性極佳的取樣模塊，這些示波器通常內(nèi)建各式的量測(cè)波照眼圖(Eye mask Template)讓使用使更方便作分析與測(cè)試。
    誤碼率的量測(cè)通常使用誤碼分析儀(Bit Error Rate Tester)，它包含Pattern Generator 與 Error Detector 兩種設(shè)備，搭配類隨機(jī)測(cè)試Pattern(PRBS)或使用者自定的測(cè)試Pattern來量測(cè)其誤碼率。這些待測(cè)物允許彈性的取樣延遲來調(diào)整Data與Clock的時(shí)間延遲(phase)，同樣的亦可調(diào)整電位的判斷水平 (Threshold)，來達(dá)到最佳取樣點(diǎn)，也就是眼圖的中心位置。
    在數(shù)據(jù)通訊中，抖動(dòng)分析是十分重要的一環(huán)，傳統(tǒng)的方式大多使用示波器或(Time Interval Analyzer or Sampling Scope), TIA乃估算邏輯訊號(hào)取樣時(shí)之判斷水平在特定誤碼率(如10E-12)時(shí)的機(jī)率密度函數(shù)，使能夠在合理的測(cè)量時(shí)間中滿足預(yù)定的高斯分布。 
    我們將看見，把所有這些功能結(jié)合在一個(gè)測(cè)量裝置，藉由眼圖及波罩測(cè)試，利用大量的量測(cè)數(shù)值并增加數(shù)據(jù)資料的收集速度，亦透過重要curve fitting的取樣點(diǎn)來增加抖動(dòng)量測(cè)時(shí)的準(zhǔn)確度。
    并非所有”all-in-one”的這類量測(cè)設(shè)備皆具有技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)，然而，若這類儀器在其核心部分若能提供極高的準(zhǔn)確度與有效率的取樣能力，就能具備最佳的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在這樣的情形下，每秒能取樣的有效點(diǎn)數(shù)愈多，處理的速度愈快，將得到愈準(zhǔn)確的量測(cè)結(jié)果。
眼圖測(cè)試Eye Diagram
    眼圖的產(chǎn)生大多都使用重復(fù)的取樣示波器，Trigger的利用與Bit Window相當(dāng)，怎么說呢，如果是觸發(fā)信號(hào)與Clock是成倍數(shù)關(guān)系,這樣的信號(hào)乃是一種適當(dāng)?shù)腡rigger source。在Arming的同時(shí), 這些裝置等待下一個(gè)觸發(fā)事件并從觸發(fā)點(diǎn)至電壓數(shù)字化的同時(shí)，延遲一很精確的時(shí)間量。在完成內(nèi)部的信號(hào)處理動(dòng)作后，取樣示波器將回復(fù)至Rearmed狀態(tài)，準(zhǔn)備下一次的抓取電壓數(shù)字化的點(diǎn)與相同Time Delay的取樣動(dòng)作。
    一般而言，取樣示波器乃一直重復(fù) Arm-Trigger-Delay-Sample這些過程，一般而言，不得小于每秒100,000次。藉由在這Bit Interval范圍內(nèi)透過返復(fù)觀察的所有可能Time Delay點(diǎn)，并繪出和累積在顯示屏幕上。在圖像乃是用二維統(tǒng)計(jì)柱狀圖來表示, Y 軸表示訊號(hào)電壓, X軸表示取樣的Time Delay, 顏色密度在XY軸表示接收訊號(hào)取樣Time Delay點(diǎn)數(shù)，在累積許多取樣點(diǎn)以后，圖形可表示在不同的Time Delay下所有可能得到的電壓值。眼圖(Eye Diagram)可表示由一連續(xù)二進(jìn)制數(shù)據(jù)串的邏輯訊號(hào)在“1”與”0”變化時(shí)電壓圖。例如，等待約1秒鐘的時(shí)間，你可以得到約100,000取樣點(diǎn)，F(xiàn)igure 1表示經(jīng)由一特殊的示波器所得到的眼圖。在數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，所呈現(xiàn)的結(jié)果圖像會(huì)有”空洞”出現(xiàn)在每個(gè)bit-window中相對(duì)電壓與時(shí)間位置，而這個(gè)”空洞”就是我們所知的”Eye”。在這的區(qū)域中，數(shù)字接收器利用Time Delay與電平中取得適當(dāng)位置，以得到最佳的誤碼率。眼圖張的愈大，則表示這系統(tǒng)將有更多的Margin允許在特定的誤碼下，各種不同的Sampling點(diǎn)，反之，當(dāng)眼圖張的愈小，Margin值就愈小，當(dāng)然誤碼的表現(xiàn)將愈差。

    當(dāng)用于眼圖應(yīng)用時(shí)，High Performance的誤碼率測(cè)試裝置與示波器有重要相似之處，誤碼率測(cè)試儀中之參考接收器使用bit Clock (如Trigger) 對(duì)接收到的資料做取樣動(dòng)作。取樣將發(fā)生于Logical High當(dāng)輸入訊號(hào)高于判斷電位時(shí)，當(dāng)輸入訊號(hào)低于判斷電位時(shí)，則于Logical Low。Sampling Time取決于輸入的Clock (或Trigger)再加上誤碼儀中特定的 Time Delay的部份，而結(jié)合這些方式，我們將可利用在Bit Interval中各種不同的Time Delay和判斷電壓位置量得相對(duì)的誤碼率。
    使用全新技術(shù)，使的誤碼測(cè)試儀的接收端可產(chǎn)生二維的Histogram圖形來強(qiáng)化眼圖(Eye Diagram)分析功能，這項(xiàng)分析技術(shù)的特點(diǎn)在于使用示波器技術(shù)并利用極高的Sampling速度來處理高速訊號(hào)，并且這樣的Sampling技術(shù)乃利用改變判斷電壓準(zhǔn)位與Delay的相對(duì)位置在誤碼測(cè)試的接收端搭配判斷電路(Decision Circuit)與特定的接收硬件來分析取樣時(shí)所得之信息。(參考圖表二)

    讓我們比較這兩種技術(shù)的Sampling速度，(1)使用示波器搭配每秒100,000次的Sampling并平均分布于水平顯示的圖點(diǎn)(Pixel)，換句話說平均每行每秒約250個(gè)取樣點(diǎn)。舉例來說，假設(shè)輸入一固定且不含噪聲之直流訊號(hào)，其每個(gè)圖點(diǎn)(Pixel)平均分布在每一行上，意思說每個(gè)圖點(diǎn)(Pixel)位置每秒將可接收25個(gè)取樣點(diǎn)。
    (2)以傳輸比率為基礎(chǔ)來決定Sampling的新方法乃一致地將所有的取樣分散給所有圖素(Pixel)。例如，當(dāng)量測(cè)1.5Gb/s的訊號(hào)在400×250圖點(diǎn)(Pixel)約(100,000圖點(diǎn))，每個(gè)圖點(diǎn)(Pixel)每秒約可得到15,000 bit取樣點(diǎn)，在這例子，考慮細(xì)微的處理能力每個(gè)圖點(diǎn)每秒約可累積超過10,000個(gè)取樣點(diǎn)，這樣大約是傳統(tǒng)眼圖(Eye Diagram)累積速度的40倍，愈高的傳輸訊號(hào)這種取樣的速度將與頻率呈線性化的增加，而傳統(tǒng)的市波器方市為固定的取樣速度與所接收的訊號(hào)頻率無關(guān)。
波罩(Mask)測(cè)試
    波罩測(cè)試乃為一眼圖量測(cè)邏輯上Go或No-go的延伸，當(dāng)進(jìn)行波罩測(cè)試時(shí)，需使用相對(duì)應(yīng)的樣板(Template)，其描述眼圖的幾何區(qū)域，哪些在進(jìn)行電壓準(zhǔn)位取樣時(shí)不能被發(fā)生，意思是當(dāng)取樣點(diǎn)沒有落在所指定的幾何區(qū)間內(nèi)，就無誤碼產(chǎn)生，波罩違反也就沒有發(fā)生。當(dāng)輸入訊號(hào)中含有unbounded隨機(jī)噪聲在分布在bit Timing或電壓軸時(shí)，波罩測(cè)試就會(huì)失敗(因?yàn)楦咚姑芏群瘮?shù)在電壓軸的噪聲和時(shí)間軸的抖動(dòng)訊號(hào)不可能完全為零)，透過選擇一定數(shù)量的Data bit上完成測(cè)驗(yàn)然而, 波罩測(cè)試與訊號(hào)誤碼產(chǎn)生統(tǒng)計(jì)的關(guān)聯(lián)，因?yàn)椴ㄕ譁y(cè)試乃一種統(tǒng)計(jì)的方式，增加在量測(cè)時(shí)取樣速度轉(zhuǎn)換成更快且更準(zhǔn)確的測(cè)試結(jié)果。
    另一種采用新技術(shù)的誤碼儀可以不須使用示波器就可完成波罩測(cè)試，使用此種方式，誤碼測(cè)試接收端取樣點(diǎn)將慢慢增加移動(dòng)量圍繞在波罩四周，假如訊號(hào)違反波罩的邊界(Mask boundary)，則將分布在眼圖的上下或中間位置，就一般的case來說，這些測(cè)試的達(dá)成必須利用已知的訊號(hào)來分析，由于大量差異對(duì)持續(xù)的取樣在誤碼儀與示波器中的不論在準(zhǔn)確度與速度上，誤碼儀皆更勝一籌。
    舉例來說，在Gigabit的速度聯(lián)結(jié)時(shí)，Data bit分布在整個(gè)波罩四周的測(cè)試時(shí)，在一秒內(nèi)可以很容易取得一百萬個(gè)資料點(diǎn)，數(shù)字訊號(hào)High或Low的位置應(yīng)低于或高于Template區(qū)，誤碼儀被設(shè)定計(jì)算對(duì)輸入的1或0的Data stream落在Template的區(qū)塊內(nèi)(違反Template邊界)，而Template則位于Eye Diagram內(nèi)，誤碼儀將對(duì)輸入的測(cè)試Pattern(一般大多為PRBS Pattern)做同步的動(dòng)作，對(duì)落在錯(cuò)誤的區(qū)塊(例如違反邊界)上的訊號(hào)進(jìn)行計(jì)算，這個(gè)方法的挑戰(zhàn)是要支持并提供快速和精確的硬件的Pattern Sync.在誤碼儀可調(diào)整Delay和判斷電壓的相對(duì)位置，這種設(shè)備透過遠(yuǎn)程的控制接口將發(fā)現(xiàn)因?yàn)橐恍┑退俚?a href="http://wenjunhu.com/v/tag/1301/" target="_blank">通信協(xié)議的拖垮使其效能大打折扣。再者，愈來愈多的設(shè)計(jì)采用Differentail的邏輯準(zhǔn)位，所以亦要求能提供Differental輸入并支持更多樣化且完整的應(yīng)用，例如對(duì)Differentail訊號(hào)做波罩與眼圖測(cè)試時(shí)，設(shè)備能提供可變化的Threshold對(duì)任何Differential Signal位準(zhǔn)(e.g LVDS)皆能測(cè)試。

    比較使用數(shù)字示波器和以誤碼技術(shù)為基礎(chǔ)的儀器針對(duì)眼圖波罩(Eye Diagram Mask)測(cè)試，考慮當(dāng)訊號(hào)偏移約半個(gè)周期，將偵測(cè)到許多的波罩違反，對(duì)這情況推斷，一般數(shù)字示波器累積波罩違反的速度約為每秒2000次，而使用以誤碼技術(shù)為基礎(chǔ)的儀器，若以622M b/s訊號(hào)速度為例，其波罩違反的速度幾乎與訊號(hào)速度一致，甚至將其處理每一取樣點(diǎn)移動(dòng)的代價(jià)列入考慮，波罩違反收集的速度也超過每秒200萬次，這個(gè)結(jié)果約是一般使用數(shù)字示波器方式的100,000倍，這樣的取樣特點(diǎn)也隨著訊號(hào)的速度增加而增加，因?yàn)檎`碼分析儀取樣速度等于訊號(hào)的本身的速度，相對(duì)于取樣示波器對(duì)針對(duì)輸入訊號(hào)的比例做固定的取樣速率(如1/8,1/32..等)。這意謂著波罩測(cè)試(Mask Test)只需花上幾分之一秒就可達(dá)成，波罩測(cè)試對(duì)大部分生產(chǎn)線測(cè)試占很大的比例，這將直接影響到測(cè)試的Throughput和所有量測(cè)設(shè)備量需求的成本。

抖動(dòng)(Jitter)測(cè)試
    目前在抖動(dòng)量測(cè)對(duì)不同的產(chǎn)業(yè)或技術(shù)上已有許多不同的格式。舉例來說，在電信的標(biāo)準(zhǔn)需測(cè)試內(nèi)部抖動(dòng)頻譜(Intrinsic Jitter Spectrum)，抖動(dòng)容限(Jitter Tolerance)，抖動(dòng)轉(zhuǎn)移(Jitter Transfer)，而在數(shù)據(jù)通訊標(biāo)準(zhǔn)上大多測(cè)試決定抖動(dòng)(Deterministic Jitter)與隨機(jī)抖動(dòng)(Random Jitter)，近來高速的數(shù)據(jù)通訊的抖動(dòng)測(cè)試更與 ”Stressed Eye”有著密不可分的關(guān)系，因?yàn)閷?duì)高速的抖動(dòng)量測(cè)時(shí)抖動(dòng)內(nèi)容的復(fù)雜可藉由重復(fù)測(cè)試增加其準(zhǔn)確度。