串列資料標準持續快速發展，大幅度改善個人電腦(PC)和伺服器系統的效能。測試這些更高速的標準、找到抖動證據，對長期穩定性及在設計中實現優異的誤碼率(BER)目標至關重要。為有效進行分析，首先要選擇適當的儀器，了解更多有關儀器雜訊、上升時間及三階、四階、五階諧波效能等因素。
但還不僅是量測這麼簡單，合適的儀器必須與適當的分析工具配套使用。在測試8Gbit/s以上的串列資料速率時，還要考慮其他因素，如抖動分離和去嵌/嵌入。隨著通道數量提高，提升了運算系統的資料輸送量，使串音問題也越來越多，本文將著重介紹存在串音時的一種新的抖動分離方法。
電氣訊號抖動決定高速串列技術良窳
採用電壓跳變(Voltage Transition)即表示時序資訊的電氣系統都有時序抖動。在歷史上，電氣系統透過採用相對較低的信令速率，減緩時序抖動(或簡稱為抖動)的負面影響。隨著資料速率攀升到8Gbit/s以上，抖動占信令間隔的比重已經很大，了解抖動類型和抖動來源對成功部署高速串列技術非常關鍵。
簡單地說，抖動是邊緣與本應位置比較的偏差，如圖1所示。根據國際電信聯盟(ITU)的定義，抖動是「數位訊號在有效時點較理想時間位置的短期變化」。
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| 圖1 抖動是邊緣與本應位置比較的偏差 |
可以透過多種方式量測單個波形上的抖動，包括週期性抖動、週期間抖動和時間間隔誤差(TIE)，設計通常決定何者規格適當。在獨立式振盪器中，訊號是時脈，可能會跳頻或掃頻，此時週期性抖動是適當的規格。而在串列資料流的發射器中，訊號是資料流，碼間干擾(ISI)是關鍵問題，這時TIE抖動則是適當的規格。
解決抖動問題 測試儀器各有優劣
處理抖動問題的工程師有大量的儀器可以選擇，每種儀器都有獨特的優勢和劣勢，以下將一一說明。
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即時數位儲存示波器(DSO)可還原整個波形，並量測任何規格，可以用於TIE、週期到週期抖動和週期性抖動量測。但其在頻率(或位元速率)、解析頻譜、小的抖動及多位準調變方面有限制。 |
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誤碼率測試儀(BERT) 特別適合TIE抖動，特別是總抖動(TJ)，這是TIE的一種形式。誤碼率測試儀的優勢是可計算每個位元，但測試執行起來耗費時間較長。 |
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即時頻譜分析儀(RTSA)可用於週期間抖動量測和週期性抖動量測，支援行動裝置的複雜調變，檢視時脈、鎖相迴路(PLL)，了解其動態效能，並具有較大的調變頻譜，其限制包括頻距(低於100MHz)和頻寬訊號。 |
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等效時間取樣示波器提供最佳的頻寬，可以用於串列資料的所有抖動量測。目前，這些示波器是唯一支援雜訊分析和BER眼狀圖的儀器。其限制是沒有即時擷取功能，只能用於重複的碼型，某些抖動頻譜會出現假訊號。 |
解決抖動等於解決誤差問題
經常會提出的一個問題是，如果只關心BER，那麼為什麼還要擔心抖動，這是因為眼狀圖(寬度)閉合大多會導致誤差。抖動和雜訊分析工具可以迅速預測和分析BER中的問題，而這些問題最終都歸結於誤差，因此消除設計中的這些誤差須了解抖動過高的一個或多個原因。
首先應從整體BER角度了解系統的運行方式。示波器使用眼狀圖和統計分析，產生浴盆圖(Bathtub)。之所以稱浴盆圖，是因為在極限變化時，得到的圖形形狀像浴盆，在使用BERT儀器時，每個位元的具體數量會得到一個抖動峰值圖。如圖2所示，左面來自BERT的抖動峰值與右面示波器抖動浴盆圖幾乎完全等效。
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| 圖2 左方BERT抖動峰值與右方示波器抖動浴盆圖間的BER效能等效圖。 |
有鑑於結果緊密對準，示波器成為支援BERT非常實用的工具，因為使用BERT量測直到BER=10-12的TJ會需要幾個小時的時間，且結果並不能揭示哪類問題導致抖動。示波器可以智慧方式量測少量資料，然後把抖動劃分成各種抖動成分，其一般採用圖3所示的公認的抖動模型。透過做出假設，示波器可以進行TJ@BER計算，真實反映使用BERT獲得的結果，而所用時間只是BERT的幾分之一，也就是說，如果所有假設都正確的話。所有複雜系統模型都做出假設和簡化，因此模型和實際系統行為之間永遠不會完全符合。正如本文之後的討論，目前，特別麻煩的一個問題是串音。
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| 圖3 2001~2010年業界採用的抖動模型 |
高資料速率易導致串音問題
為實現效能目標，大多數串列系統採用多個通道。隨著頻率和資料速率提高到10Gbit/s以上，少量的串音就會吃光抖動預算，產生時序問題。
在一個訊號受到相鄰訊號影響時，會發生串音。在資料速率很高時，訊號傳播方式更像是導波，而不是簡單的直流電(DC)電流。波由導電軌跡導引，但透過電介質輻射，一般是FR4，當存在一個以上的訊號時，電路板上的每條導電軌跡在其他每條軌跡上附有假訊號，公認的術語是侵入訊號會在被侵入訊號上導致串音。在引導被侵入訊號的導體撿拾到侵入訊號時，就會發生串音。電路布線中不可避免的不連續點，如連接器和通道是關鍵點，在產生串音時，它們的行為方式類似於天線。
即時取樣示波器和等效時間取樣示波器採用以頻譜為基礎的抖動分析技術，隔離各種抖動成分。在即時取樣裝置上，如果頻率成分沒有假訊號，那麼抖動和電壓雜訊頻譜有副諧波峰值，會被塗抹到電路板諧振形狀中，而不是表現為銳線。在取樣不足的裝置上，如頻譜附有假訊號的等效時間取樣示波器，串音表現為連續的雜訊。
在即時取樣示波器和等效時間取樣示波器中，這些以頻譜為基礎的抖動分析技術都透過對連續抖動頻譜求積分來量測隨機抖動(RJ)，由於串音時序效應而誇大RJ。這會導致RJ提高，高估TJ。圖4顯示示波器量測的抖動，在本例中，示波器量測的待測物(DUT)擁有大量的串音。
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| 圖4 與BERT比較，示波器中的TJ誤差。 |
串音在示波器中的表現為有界不相關抖動(BUJ)狀態，因為其採用有界分布。資料碼型的複雜性會使分布的有界特點變得模糊。1和0似乎隨機的分布會導致在每個侵入訊號跳變上傳送不同數量的電壓雜訊。
對串音引起的BUJ的靈敏度，在不同量測系統間將有不同。示波器在量測或推斷抖動時，會悲觀地把BUJ或NP-BUJ捆綁到RJ中，然後還會高報TJ。抖動結果(RJ、TJ)主要取決於侵入訊號碼型複雜性，PRBS31最差，而PRB7一般不會導致大的誤差。
在即時示波器中，RJ和TJ結果還取決於記錄長度，記錄長度越長，提供的樣點數越多，抖動分離能力也越好。這一問題的具體機制還與實現方案有關。
BUJ量測解決方案
目前，在懷疑存在串音時，有許多方法進行抖動分析，但沒有一種方法能像示波器為資料相關抖動(DDJ)和週期性抖動(PJ)提供的結果一般，提供單鍵量測結果，一條線索是抖動分析儀器報導的RJ量測結果是不是異常大。熱效應、也是RJ的最終成因，很少會超過3毫微微秒(ps)RMS。如果報告的RJ大於3ps，那麼可能是串音所導致。
識別串音的其他技巧需要更多控制侵入訊號通道的方法。例如，如果有可能關閉懷疑的侵入訊號，那麼可以比較侵入訊號通道上有訊號和沒有訊號時的RJ量測資料。如果有侵入訊號的RJ大於沒有侵入訊號的RJ，那麼串音就是問題。解決方案是在Dual-Dirac模型中使用侵入通道關閉時量測的RJ，以及侵入通道打開時量測的雙Dirac DJ，估算相關BER下的總抖動。這種方法的問題在於須要控制侵入訊號，而非一直可能實現。另一個問題是在非線性系統中是無效的(大多數發射器是非線性系統)，其對誤差持樂觀態度，因為部分串音是無界的。
更加先進的方法是實現識別BUJ的抖動分析演算法，這涉及在隔離DDJ和PJ之後在抖動分析中增加一個額外步驟，把NP-BUJ與RJ分開，如圖5所示。一個關鍵優勢是這適用於每個場景，因為不須控制侵入訊號，非線性TX不會帶來問題，此外，無界串音成分將正確識別為無界。這種方法的缺點是結果仍有一些悲觀。
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| 圖5 識別BUJ抖動分析及得到的抖動分解地圖。 |
為測試抖動分析演算法把BUJ與其他隨機抖動來源準確分開的能力，可重複圖4所示的測試，但增加等效時間取樣示波器採用識別BUJ的抖動分析演算法提供的結果。圖6中虛線表示的結果與BERT比較仍有些悲觀，即時示波器得到的結果還要更悲觀一些。也就是說，報告的TJ誤差準確度大幅度改善，即使在懷疑的串音可能會導致抖動和雜訊相關誤差時，仍有可能相信示波器的TJ量測。
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| 圖6 識別BUJ的抖動分析(虛線)演算法顯示具有大量串音的DUT，準確度明顯改善。 |
新模型有效提供示波器抖動測試結果
隨著資料速率不斷提高，抖動已經占到信令間隔中非常大的比重，設計人員全面了解設計中抖動類型和抖動來源越來越重要。由於大多數高速串列設計現在涉及多條通路，串音幾乎是不可避免的結果，在抖動預算中必須考慮串音。
但到目前為止，使用抖動分離技術一直很難量測串音引起的抖動或有界不相關抖動的影響。由於抖動演算法沒有考慮BUJ，因此BUJ一直與RJ歸併在一起，與BER測試儀獲得的結果比較，得到的是悲觀的總抖動結果。
正是認識到這種日益增長的問題，特別是對10Gbit/s以上的資料速率，抖動模型正在擴展到包括BUJ，並增加識別BUJ的演算法。在涉及大量串音的測試中，實作證明，新模型可以在即時示波器和等效時間取樣示波器上有效提供TJ結果，並與BERT得到的結果一致，還可以更加全面地分析設計中的抖動問題，包括串音引起的抖動。
(本文作者為太克科技資深技術行銷經理)