宜捷威科技:误码分析

        ----使用误码分析仪快速达成波罩测试(Mask Test)，抖动(Jitter)与误码分析(BER testing)
    高速通讯量测大多可藉由以下几种分析来完成，眼图波罩 (Eye Diagram Mask)测试，抖动(Jitter)分析测试，以及误码率测试等。上述几项大多已在工业界已制定标准，或是在生产线上自订相关测试项目，并可提供较方便快速的方法来规范其组件品质能达到一定的水平。
    一般说来，眼图波罩(Eye Mask)测试大多使用一些高准确性的数字通信分析仪，如取样示波器配备极高频宽与极低抖动时基，重复性与稳定性极佳的取样模块，这些示波器通常内建各式的量测波照眼图(Eye mask Template)让使用使更方便作分析与测试。
    误码率的量测通常使用误码分析仪(Bit Error Rate Tester)，它包含Pattern Generator 与 Error Detector 两种设备，搭配类随机测试Pattern(PRBS)或使用者自定的测试Pattern来量测其误码率。这些待测物允许弹性的取样延迟来调整Data与Clock的时间延迟(phase)，同样的亦可调整电位的判断水平 (Threshold)，来达到最佳取样点，也就是眼图的中心位置。
    在数据通讯中，抖动分析是十分重要的一环，传统的方式大多使用示波器或(Time Interval Analyzer or Sampling Scope), TIA乃估算逻辑讯号取样时之判断水平在特定误码率(如10E-12)时的机率密度函数，使能够在合理的测量时间中满足预定的高斯分布。 
    我们将看见，把所有这些功能结合在一个测量装置，藉由眼图及波罩测试，利用大量的量测数值并增加数据资料的收集速度，亦透过重要curve fitting的取样点来增加抖动量测时的准确度。
    并非所有”all-in-one”的这类量测设备皆具有技术上的优势，然而，若这类仪器在其核心部分若能提供极高的准确度与有效率的取样能力，就能具备最佳的技术优势，在这样的情形下，每秒能取样的有效点数愈多，处理的速度愈快，将得到愈准确的量测结果。
眼图测试Eye Diagram
    眼图的产生大多都使用重复的取样示波器，Trigger的利用与Bit Window相当，怎么说呢，如果是触发信号与Clock是成倍数关系,这样的信号乃是一种适当的Trigger source。在Arming的同时, 这些装置等待下一个触发事件并从触发点至电压数字化的同时，延迟一很精确的时间量。在完成内部的信号处理动作后，取样示波器将回复至Rearmed状态，准备下一次的抓取电压数字化的点与相同Time Delay的取样动作。
    一般而言，取样示波器乃一直重复 Arm-Trigger-Delay-Sample这些过程，一般而言，不得小于每秒100,000次。藉由在这Bit Interval范围内透过返复观察的所有可能Time Delay点，并绘出和累积在显示屏幕上。在图像乃是用二维统计柱状图来表示, Y 轴表示讯号电压, X轴表示取样的Time Delay, 颜色密度在XY轴表示接收讯号取样Time Delay点数，在累积许多取样点以后，图形可表示在不同的Time Delay下所有可能得到的电压值。眼图(Eye Diagram)可表示由一连续二进制数据串的逻辑讯号在“1”与”0”变化时电压图。例如，等待约1秒钟的时间，你可以得到约100,000取样点，Figure 1表示经由一特殊的示波器所得到的眼图。在数据传输系统中，所呈现的结果图像会有”空洞”出现在每个bit-window中相对电压与时间位置，而这个”空洞”就是我们所知的”Eye”。在这的区域中，数字接收器利用Time Delay与电平中取得适当位置，以得到最佳的误码率。眼图张的愈大，则表示这系统将有更多的Margin允许在特定的误码下，各种不同的Sampling点，反之，当眼图张的愈小，Margin值就愈小，当然误码的表现将愈差。

    当用于眼图应用时，High Performance的误码率测试装置与示波器有重要相似之处，误码率测试仪中之参考接收器使用bit Clock (如Trigger) 对接收到的资料做取样动作。取样将发生于Logical High当输入讯号高于判断电位时，当输入讯号低于判断电位时，则于Logical Low。Sampling Time取决于输入的Clock (或Trigger)再加上误码仪中特定的 Time Delay的部份，而结合这些方式，我们将可利用在Bit Interval中各种不同的Time Delay和判断电压位置量得相对的误码率。
    使用全新技术，使的误码测试仪的接收端可产生二维的Histogram图形来强化眼图(Eye Diagram)分析功能，这项分析技术的特点在于使用示波器技术并利用极高的Sampling速度来处理高速讯号，并且这样的Sampling技术乃利用改变判断电压准位与Delay的相对位置在误码测试的接收端搭配判断电路(Decision Circuit)与特定的接收硬件来分析取样时所得之信息。(参考图表二)

    让我们比较这两种技术的Sampling速度，(1)使用示波器搭配每秒100,000次的Sampling并平均分布于水平显示的图点(Pixel)，换句话说平均每行每秒约250个取样点。举例来说，假设输入一固定且不含噪声之直流讯号，其每个图点(Pixel)平均分布在每一行上，意思说每个图点(Pixel)位置每秒将可接收25个取样点。
    (2)以传输比率为基础来决定Sampling的新方法乃一致地将所有的取样分散给所有图素(Pixel)。例如，当量测1.5Gb/s的讯号在400×250图点(Pixel)约(100,000图点)，每个图点(Pixel)每秒约可得到15,000 bit取样点，在这例子，考虑细微的处理能力每个图点每秒约可累积超过10,000个取样点，这样大约是传统眼图(Eye Diagram)累积速度的40倍，愈高的传输讯号这种取样的速度将与频率呈线性化的增加，而传统的市波器方市为固定的取样速度与所接收的讯号频率无关。
波罩(Mask)测试
    波罩测试乃为一眼图量测逻辑上Go或No-go的延伸，当进行波罩测试时，需使用相对应的样板(Template)，其描述眼图的几何区域，哪些在进行电压准位取样时不能被发生，意思是当取样点没有落在所指定的几何区间内，就无误码产生，波罩违反也就没有发生。当输入讯号中含有unbounded随机噪声在分布在bit Timing或电压轴时，波罩测试就会失败(因为高斯密度函数在电压轴的噪声和时间轴的抖动讯号不可能完全为零)，透过选择一定数量的Data bit上完成测验然而, 波罩测试与讯号误码产生统计的关联，因为波罩测试乃一种统计的方式，增加在量测时取样速度转换成更快且更准确的测试结果。
    另一种采用新技术的误码仪可以不须使用示波器就可完成波罩测试，使用此种方式，误码测试接收端取样点将慢慢增加移动量围绕在波罩四周，假如讯号违反波罩的边界(Mask boundary)，则将分布在眼图的上下或中间位置，就一般的case来说，这些测试的达成必须利用已知的讯号来分析，由于大量差异对持续的取样在误码仪与示波器中的不论在准确度与速度上，误码仪皆更胜一筹。
    举例来说，在Gigabit的速度联结时，Data bit分布在整个波罩四周的测试时，在一秒内可以很容易取得一百万个资料点，数字讯号High或Low的位置应低于或高于Template区，误码仪被设定计算对输入的1或0的Data stream落在Template的区块内(违反Template边界)，而Template则位于Eye Diagram内，误码仪将对输入的测试Pattern(一般大多为PRBS Pattern)做同步的动作，对落在错误的区块(例如违反边界)上的讯号进行计算，这个方法的挑战是要支持并提供快速和精确的硬件的Pattern Sync.在误码仪可调整Delay和判断电压的相对位置，这种设备透过远程的控制接口将发现因为一些低速的通信协议的拖垮使其效能大打折扣。再者，愈来愈多的设计采用Differentail的逻辑准位，所以亦要求能提供Differental输入并支持更多样化且完整的应用，例如对Differentail讯号做波罩与眼图测试时，设备能提供可变化的Threshold对任何Differential Signal位准(e.g LVDS)皆能测试。

    比较使用数字示波器和以误码技术为基础的仪器针对眼图波罩(Eye Diagram Mask)测试，考虑当讯号偏移约半个周期，将侦测到许多的波罩违反，对这情况推断，一般数字示波器累积波罩违反的速度约为每秒2000次，而使用以误码技术为基础的仪器，若以622M b/s讯号速度为例，其波罩违反的速度几乎与讯号速度一致，甚至将其处理每一取样点移动的代价列入考虑，波罩违反收集的速度也超过每秒200万次，这个结果约是一般使用数字示波器方式的100,000倍，这样的取样特点也随着讯号的速度增加而增加，因为误码分析仪取样速度等于讯号的本身的速度，相对于取样示波器对针对输入讯号的比例做固定的取样速率(如1/8,1/32..等)。这意谓着波罩测试(Mask Test)只需花上几分之一秒就可达成，波罩测试对大部分生产线测试占很大的比例，这将直接影响到测试的Throughput和所有量测设备量需求的成本。

抖动(Jitter)测试
    目前在抖动量测对不同的产业或技术上已有许多不同的格式。举例来说，在电信的标准需测试内部抖动频谱(Intrinsic Jitter Spectrum)，抖动容限(Jitter Tolerance)，抖动转移(Jitter Transfer)，而在数据通讯标准上大多测试决定抖动(Deterministic Jitter)与随机抖动(Random Jitter)，近来高速的数据通讯的抖动测试更与 ”Stressed Eye”有着密不可分的关系，因为对高速的抖动量测时抖动内容的复杂可藉由重复测试增加其准确度。(待续)