高速信号抖动测试解决方案

概述

在高速传输的数字系统或是通讯系统当中，将信号完整无缺地从传送到目的地为其首要目标。信号在传输的过程当中因为传输线的损失、系统的噪声，以及不可避免的人为因素，常使得信号失真，而传输抖动之现象，乃是今日研究之重要课题。在大都会之骨干网络当中，为了提升传输系统误码率之质量，通常会以低噪声的前置放大器作为降低噪声以及抖动的方法之一。通常随着抖动量之增加，系统误码率便会提升。所以如何从正确地分析抖动之特性以及对传输系统所造成之影响为本文所讨论之重点。安捷伦提供了一系列之抖动测试解决方案，使得用户能在准确而快速的状况下取得适合的数据，亦能提供详细之报表以作分析之用。本文将以眼图作为抖动量测之开端，从抖动之基本定义来分析抖动对于整体传输系统之影响。图一为大都会网络传输概念图。

图一 大都会网络传输系统

定义

任何数字传输系统必定存在两种构成要素，一是本质数字信号( Deterministic Digital Signal)，另一则是时钟信号( Clock Signal)。时钟信号又分为标准时钟信号(Standard Clock)及依附时钟信号(Embedded C lock)。所谓的抖动现象，乃是指本质数字信号与时钟信号所产生的一种相位差，亦可看做是一种相位调变信号。而在这时候，时钟信号所扮演的是一种标准之参考信号。这种时间差的相位变化，经过了一段时间可能形成一种周期性的正弦调变现象，而将其称之为时域抖动现象，如图二所示：

图二 抖动形成示意图

抖动的形成通常我们会使用取样示波器(Sampling Scope)来撷取其眼图(Eye Diagram)，根据眼图之基本特性，来观察其系统是否超过应有遵循之规范由图三可知，从交叉点(Crossing Poin)的宽度，即可得知抖动的大小。一般来说，在传输系统中发射端能产生多少抖动，以及接收端能承受多大范围之抖动，都必须要有明确的规范与定义。

图3-1 取样示波器下之眼图

图3-2 规范眼图之屏蔽

所以通常通讯规范组织会定义出一种屏蔽(Mask)来判定此通讯系统是否通过该传输协议下之规范。另外，解析抖动之精准度也和仪器以及系统之带宽有极大之关系，首先要定义出抖动传函(Jitter Transfer)之关系图如图四所示：

图四 抖动传函示意图

抖动传函之定义就好比放大器之频率响应一般，即是输出之抖动大小和输入之抖动大小之比值对应抖动频率之关系示意图。若一传输系统或是量测仪表之抖动传函带宽越大，则解析抖动之能力越佳。

图 5-1 图 5-2

图五 解析抖动能力之比较图

由图5-1 可看出若此系统之带宽越大，所解析出来之抖动现象越差，会呈现较粗之眼图以及不易辨识之本质抖动(Deterministic Jitter)。图5-2 乃是带宽较大之系统，其可解析出更为精密细致之抖动现象，由此便可反推抖动形成之原因及电路设计须要改进之地方。

附带要提起的是，抖动又可分为本质抖动( Deterministic Jitter)和随机抖动(Random Jitter)两种：

本质抖动乃是系统端固有之抖动，形成之原因可能是本地震荡之误差，或是震动晶体所造成之误差，它是可以预期的，也是可以被规范的。其又可分为周期性抖动( Periodic Jitter)、周期比例失真(Duty Cycle Distortion)以及交越干扰失真( Inter-Symbol Interference)三种。而随机抖动则是没有边界的，通常形成的原因可能为系统之热噪声 (Thermal Noise)，通常以随机统计分布表来定义其大小。如图六所示：

图六 随机统计分布示意图

安捷伦抖动量测解决方案

安捷伦在抖动测试技术上已有长达十余年之经验，主要可分为光通讯之抖动量测以及数字信号抖动测试。在光通讯方面最基本的便是误码测试仪( BERT)搭配取样 示波器来完成普通抖动之量测，最通常之仪表则是86130A BitAlyzer 或是 N4906A SmartBERT 搭配86100B DCA 来完成。如图七所示：

图7-1 N4906A

图7-2 86130A

图7-3 86100B

以图7-3来说，DCA 量测普通之抖动最小可达到800fs，如果使用86107A Precis ion Time Base之模块可达到200fs 之精准度，可说是目前世界上精准度最高之取样示波器。若搭配误码测试仪来使用的话，可利用应用软件将本质抖动以及随机抖动利用浴缸法则(Bathtub Method)将其分离以及计算其大小。如图八所示：它是利用误码率之临界值(Threshold Value)以及眼图之时域分布关系反算抖动之大小。

图八 浴缸法则应用软件

图九 压缩眼图测试法

另外在做Gigabit Ethernet 时，我们也常会利用压缩眼图测试法来量测接收器之灵敏度。通常会在发射端加入许多种类的抖动来压缩传输眼图，藉此来得知接收端的灵敏度。

另外在量测数字信号传输系统时，最常量测的则是实时抖动量测(Re al Time Jitter Test)，其中包含了时域区间误差(TIE; Time Interval Error)以及抖动频谱(Jitter Spectrum)，时钟信号的部分则包含了周期性抖动测试、Cycle to Cycle 测试以及N-Cycle。

上图是使用安捷伦54855A 数字示波器所量测得知的数据，黄色信号代表的是原始信号，紫色代表的是抖动量之大小，蓝色的部分则是统计量之分布，红色则是抖动之频谱。所以实时量测所带来之效率以及便利性是可想而知的。

结论：

抖动量测乃是数字通讯不可或缺一环，在今日信号传输速度日益增进以及信号质量的提升，误码率的测试亦是重要的一环，安捷伦提供了完整之测试设备以及完整的测试解决方案提供业界快捷而迅速之报表，可提升研发的速度以及产线的良率。

审核编辑：汤梓红