抖動是評估儀器效能良窳的重要規格之一，因為儀器是否能量測出極低的抖動，關係到產品是否須重新設計，或是已經可以推出上市。目前市面上有許多相容性軟體套件可確認隨機抖動、定量性抖動、時間間隔誤差及總抖動。有些軟體甚至可量測有界不相關抖動(Bounded Uncorrelated Jitter)及J2/J9抖動。
如果要量測抖動，示波器絕對是不二選擇。多數配備顯示幕的示波器都提供各種抖動量測工具。不過，示波器本身就存在雜訊，而且有抖動量測底線的限制，亦即無法量測比示波器抖動量測底線更低的抖動。
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| 圖1 具嚴重符際干擾的10Gbase KR訊號 |
因此，購買示波器時，一定會想知道該機種是否物有所值，尤其示波器售價動不動就是好幾萬美元起跳。因此，務必確認示波器的抖動規格，其中最重要的是抖動量測底線，包含示波器取樣時脈抖動及雜訊底線。不同示波器廠商會用不同方式標示抖動量測底線，有必要花些時間弄清楚每一種規格的實際意義。更重要的是，觀察示波器執行抖動量測時，具符際干擾(ISI)的10Gbase回復時脈等高速訊號(圖1)。
選購時首先考量本質抖動
即時示波器的資料取樣率高達每秒120GSa，因此所有資料點一定要校準。也就是說，示波器必須讓所有取樣點的時序維持一致。
為此，示波器可使用一種稱為時基(Time Base)的晶片或系統，讓送入類比數位轉換器(ADC)與內部時鐘的取樣輸入訊號，彼此間維持緊密的時間關聯性。時脈本身也有抖動，抖動大小取決於示波器如何透過時基來維持取樣點的時序一致性。而整體示波器時基的抖動規格又稱為「取樣時脈抖動」或「示波器本質抖動」。
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| 圖2 安捷倫Infiniium 90000 X系列示波器 |
不同的示波器廠商有不同的本質抖動標示方法，例如安捷倫(Agilent)90000 X系列示波器(圖2)將本質抖動標示為150fs取樣時脈抖動。其他廠商則稱為抖動量測底線。執行時間間隔誤差的抖動量測時，本質抖動無疑是示波器能做到的最佳極限。換句話說，本質抖動可呈現示波器最佳的抖動量測效能。
進一步考量：抖動量測底線
本質抖動可呈現示波器最佳的抖動理論值，換言之，是在沒有其他變數狀況下的抖動狀態。但是，單靠這個數值，使用者無法了解在整體量測抖動中，示波器抖動所占的比例有多高。示波器抖動主要源自於示波器雜訊，因此若只有取樣時脈抖動值，並無法計算出示波器雜訊。抖動量測底線(JMF)將示波器雜訊底線也算在其中。
以下為安捷倫90000 X系列示波器產品規格書中提供的抖動量測底線計算公式：
有此可以看出，此公式的三要素為取樣時脈抖動、雜訊及轉換率，三者缺一不可。如果示波器產品規格書僅提供200fs這樣的數值，只是指出其最佳抖動或是取樣時脈抖動，並未實際呈現其抖動量測底線。
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| 圖3 請注意觀察抖動量測隨著頻率提高而增加的情形，圖片由上至下依序顯示20GHz、10GHz、2GHz等不同頻率。 |
為什麼一定要有這三個數值，才能求得抖動量測底線呢？如前所述，這是因為雜訊會影響示波器抖動。上升時間或轉換率愈慢，示波器雜訊對其抖動的影響就愈大。一般而言，示波器雜訊並不會被視為水平抖動，但緩慢的上升時間會提高示波器雜訊影響到水平抖動的機率。
在觀察不同正弦波頻率下的時間間隔誤差時，可以很清楚看到這個現象。例如，在20GGHz正弦波下，示波器的時間間隔誤差為190fs(圖3a)。一旦正弦波頻率下降到5GHz時，其時間間隔誤差便提高為400fs(圖3b)。圖3c則顯示安捷倫90000 X系列的整體抖動與頻率曲線。
此外，還會觀察到當正弦波頻率上升至30GHz以上時，抖動量測底線會很接近150fs的取樣時脈抖動規格。換言之，隨著正弦波頻率提高，其轉換率也會跟著變快。當頻率為30GHz時，轉換率會比頻率為5GHz時快上十倍，可大幅減輕示波器雜訊對時間間隔誤差的影響。
不可輕忽累積性抖動
示波器的累積性抖動(Long Term Jitter)是另一個影響抖動的重要因素。當示波器的記憶體容量增加，時基就必須在極高速率下校準更多取樣點的時序。近年來，示波器可提供極大的記憶體深度，使得這個問題愈趨嚴重。
事實上，很多示波器現在已可提供高達2Gpts的資料量，對時基處理能力形成極大的考驗。除了記憶體容量加大外，晶片製造商也開始嘗試在PRBS23或PRBS31等較長碼型上區隔出抖動。想要在PRBS23碼型上將隨機抖動與定量性抖動區隔開來，至少需要500Mpts或更高的資料量。在這麼大的記憶體深度下，量測示波器的累積性抖動成了必要的步驟。
量測累積性抖動時，須將示波器的時基偏移效應納入考量。如果示波器使用的時基不是針對大容量記憶體而設計，將會遭遇嚴重的偏移問題，進而在量測時產生極大的抖動。
更糟的是，占用2Mpts記憶體的抖動量測，其結果可能與占100Mpts記憶體的抖動量測完全不同，不是因為待測元件的抖動更大，而是因為示波器時基的偏移所致。
四步驟做好驗證抖動
要驗證抖動規格並不難，但每款示波器都有一些注意事項須加以考量。而抖動量測步驟如下所示：
1. 找一個低抖動的正弦波訊號源和高頻寬示波器，例如安捷倫E8267D具備大於30GHz的頻寬與極低的抖動。
2. 將正弦波產生器連接到示波器的輸入埠。
3. 正弦波產生器從1GHz開始，將正弦波輸入示波器。
4. 開啟示波器的時間間隔誤差量測功能，並且加以記錄。可透過示波器的額定時脈恢復設定功能，設定時脈恢復值。
如此便完成第一次的抖動量測底線曲線量測，然後重複步驟2～4，以1GHz或500MHz為單位來調整示波器頻寬。其間必須注意的是，當正弦波頻寬增加時，抖動量測底線會隨之降低，因為上升時間愈快，雜訊對抖動量測基準的影響就愈小。
如果量測低於30ps的上升時間，則雜訊對抖動量測底線的影響，就遠不如示波器取樣時脈抖動的影響那麼大。另外，當正弦波的振幅和偏移改變時，示波器的量測結果也會有所不同。
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| 圖4 頻率下降，則上升時間會變快，因而提高示波器雜訊影響抖動量測的程度，圖片由上至下顯示20GHz、10GHz、2GHz等不同的頻率。 |
舉例而言，某廠牌的示波器對偏移變化極敏感，那麼當偏移變大，則其抖動會顯著惡化。而另一廠牌的示波器針經過最佳化設計，支援75%的訊號輸入，如果將百分比提高為90%以上，抖動量測底線也會跟著增加。
如果時間允許，可用這個實用操作改變振幅、偏移、訊號輸入畫面百分比，並量測相同的抖動量測底線曲線。圖4顯示安捷倫近期推出的90000 X系列示波器的抖動量測底線。請注意，當正弦波頻率大於20GHz，此數值很接近其150fs的本質抖動。
除以上所述，與示波器的上升時間一樣，倘若示波器抖動接近於量測抖動，則示波器本身對量測結果的影響很大。想要看到示波器最低的抖動理論值，唯一的方法是待測元件本身的抖動要很低。例如，待測元件的抖動為150fs，而示波器的最低抖動量測基準也是150fs，其間大概有30～40%的誤差。也就是說，即時示波器能夠量測到的最低抖動為200fs。
不變的判斷準則：抖動量測基準
抖動規格是示波器最重要的規格之一。如果產品規格書僅提供200fs的抖動量測規格，這對於評估示波器效能沒有太大的幫助，況且使用者還要知道示波器廠商所標示的這個規格代表什麼意義。
廠商指的是不是取樣時脈抖動？因為示波器廠商經常將取樣時脈抖動與抖動量測基準混為一談。畢竟，抖動量測基準才是對示波器的真實抖動值有決定性影響的因素。抖動量測基準的計算牽涉到取樣時脈抖動、雜訊及轉換率，三者缺一不可。抖動量測基準會因轉換率不同而有差異，所以務必找到合適的轉換率，並以此測試抖動量測基準。
雖然這種示波器評估法較費時，好處是可以獲得更低的總抖動量測值及更精確的量測結果，同時還可更快將新產品推出上市。
(本文作者任職於安捷倫)