高速信號抖動(dòng)測試解決方案

概述

在高速傳輸?shù)臄?shù)字系統(tǒng)或是通訊系統(tǒng)當(dāng)中，將信號完整無缺地從傳送到目的地為其首要目標(biāo)。信號在傳輸?shù)倪^程當(dāng)中因?yàn)閭鬏斁€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(dòng)之現(xiàn)象，乃是今日研究之重要課題。在大都會之骨干網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，為了提升傳輸系統(tǒng)誤碼率之質(zhì)量，通常會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。通常隨著抖動(dòng)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(dòng)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(diǎn)。安捷倫提供了一系列之抖動(dòng)測試解決方案，使得用戶能在準(zhǔn)確而快速的狀況下取得適合的數(shù)據(jù)，亦能提供詳細(xì)之報(bào)表以作分析之用。本文將以眼圖作為抖動(dòng)量測之開端，從抖動(dòng)之基本定義來分析抖動(dòng)對于整體傳輸系統(tǒng)之影響。圖一為大都會網(wǎng)絡(luò)傳輸概念圖。

圖一 大都會網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)

定義

任何數(shù)字傳輸系統(tǒng)必定存在兩種構(gòu)成要素，一是本質(zhì)數(shù)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(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)象，乃是指本質(zhì)數(shù)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(diào)變信號。而在這時(shí)候，時(shí)鐘信號所扮演的是一種標(biāo)準(zhǔn)之參考信號。這種時(shí)間差的相位變化，經(jīng)過了一段時(shí)間可能形成一種周期性的正弦調(diào)變現(xiàn)象，而將其稱之為時(shí)域抖動(dòng)現(xiàn)象，如圖二所示：

圖二 抖動(dòng)形成示意圖

抖動(dòng)的形成通常我們會使用取樣示波器(Sampling Scope)來擷取其眼圖(Eye Diagram)，根據(jù)眼圖之基本特性，來觀察其系統(tǒng)是否超過應(yīng)有遵循之規(guī)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。一般來說，在傳輸系統(tǒng)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(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(dòng)之精準(zhǔn)度也和儀器以及系統(tǒng)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(yīng)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(yīng)抖動(dòng)頻率之關(guān)系示意圖。若一傳輸系統(tǒng)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(tǒng)之帶寬越大，所解析出來之抖動(dòng)現(xiàn)象越差，會呈現(xiàn)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(tǒng)，其可解析出更為精密細(xì)致之抖動(dòng)現(xiàn)象，由此便可反推抖動(dòng)形成之原因及電路設(shè)計(jì)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(jī)抖動(dòng)(Random Jitter)兩種：

本質(zhì)抖動(dòng)乃是系統(tǒng)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(yù)期的，也是可以被規(guī)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(jī)抖動(dòng)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(jī)統(tǒng)計(jì)分布表來定義其大小。如圖六所示：

圖六 隨機(jī)統(tǒng)計(jì)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)上已有長達(dá)十余年之經(jīng)驗(yàn)，主要可分為光通訊之抖動(dòng)量測以及數(shù)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(dòng)最小可達(dá)到800fs，如果使用86107A Precis ion Time Base之模塊可達(dá)到200fs 之精準(zhǔn)度，可說是目前世界上精準(zhǔn)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(yīng)用軟件將本質(zhì)抖動(dòng)以及隨機(jī)抖動(dòng)利用浴缸法則(Bathtub Method)將其分離以及計(jì)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(yīng)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(dòng)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(shù)字信號傳輸系統(tǒng)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(qū)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。

上圖是使用安捷倫54855A 數(shù)字示波器所量測得知的數(shù)據(jù)，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(lán)色的部分則是統(tǒng)計(jì)量之分布，紅色則是抖動(dòng)之頻譜。所以實(shí)時(shí)量測所帶來之效率以及便利性是可想而知的。

結(jié)論：

抖動(dòng)量測乃是數(shù)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(shè)備以及完整的測試解決方案提供業(yè)界快捷而迅速之報(bào)表，可提升研發(fā)的速度以及產(chǎn)線的良率。

審核編輯：湯梓紅