測試輸電線路特性時，時域反射計(TDR)是常用的訊號完整度工具，可啟動電壓步階並量測反射訊號或發射訊號。反射訊號可提供阻抗與距離、不連續位置，以及往返傳播時間等資訊。於裝置末端測得的發射步階(Transmitted Step)會產生步階響應(Step Response)、單向傳播時間以及通道間的時序不對稱(Skew)，此即時域傳輸(TDT)量測。時域結果可轉換為頻域，以提供裝置之S參數、回返損耗(Return Loss)或插入損耗。以TDR/TDT量測方法取得的S參數，與使用S參數量測必備之向量網路分析儀(VNA)所執行的量測，具有良好關聯性，但使用這兩種儀器執行的量測，各有優缺點。
TDR與VNA量測的重要考量，在於可去除系統儀器誤差並修正纜線、測試夾具、轉換器損耗與反射的使用者校驗。執行使用者校驗的一般作法，是量測機械標準的電氣特性，如短路、開路或負載。標準的量測位置將決定待測裝置連接的參考平面。比較於參考平面測得之響應與各標準的已知電氣特性，即可修正測試夾具與纜線的未知響應。如此可將量測值自裝置獨立出來，提供更準確的結果。
對於配備2埠的單端裝置，如同軸電纜，使用機械標準的校驗程序相當直接明瞭。然而，先進的通訊標準必須配備四至十個通道，才可達到超高速連結。隨著裝置埠數增加，手動執行機械標準校驗很快地便無法因應此一需求。電子校驗(E-Cal)是解決方法之一。E-Cal以單一連接方式，連接包含各種可自動切換至量測路徑阻抗狀態的模組。圖1顯示典型的一般電子校驗模組。本文將著重於探討TDR/TDT量測的電子校驗應用，以加速並簡化高通道數量測。
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| 圖1 電子校驗模組 |
校驗TDR/TDT 消除步階瑕疵
一般而言，即使不執行使用者校驗，測試人員還是能夠執行TDR/TDT量測。只要將TDR取樣頭連接到待測裝置，便可迅速隔離與不連續性的距離、研究反射位置，並量測傳輸線路的傳播時間。然而，為了達到待測裝置之最準確量測值，建議使用TDR/TDT使用者校驗。
量測不確定性的來源可能包括儀器本身的瑕疵，如激發訊號緣速度、步階平坦度、通道頻寬以及取樣器頻率響應。舉例來說，若瑕疵係來自入射步階或待測裝置，則入射步階的過擊(Overshoot)以及振鈴(Ringing)都可能遮蔽裝置響應，使其難以隔離。校驗前後之TDR步階響應如圖2所示，校驗後的步階已消除瑕疵，並提供更好的激發，以達更準確的待測裝置量測。
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| 圖2 校驗前後的TDR步階響應 |
儀器以外的其他瑕疵也會導致量測不確定性，包括來自纜線、轉接器及測試夾具的損耗與反射。這些瑕疵會減弱抵達參考平面的入射步階。在理想的情況下，TDR取樣頭應靠近待測裝置，以將這些誤差降至最低，遠端TDR接頭則有助達成此一要求。若測試夾具位於現場，則TDR校驗會將量測參考平面移近裝置，在發射至裝置前去除反射與損耗。
TDR/TDT校驗的另一項好處是，校驗後可改變激發訊號的有效訊號緣速度。圖3為以訊號緣速度範圍量測的一對緊鄰間隔之不連續性。使用較快訊號緣速度之TDR量測，可解析間隔距離更近的不連續性。執行TDR校驗可修正測試系統瑕疵、在裝置前測試夾具，並可讓使用者改變TDR訊號緣速度，如此可確保裝置的最準確量測。
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| 圖3 測試板上使用不同訊號緣速度量測的一對不連續性 |
E-Cal簡化TDR校驗過程
執行TDR校驗的新方法是使用電子校驗，或簡稱E-Cal模組。電子校驗是VNA的先驅，能夠加快並簡化校驗過程，長久以來受到廣泛使用。電子校驗的優點包括：減少連接點、加速校驗時間、減少作業員疏失以及減少接頭磨損。
E-Cal模組為一傳輸標準，但非絕對標準。對每一種標準而言，每一個E-Cal模組可能都存在些微不同的電氣反應，但每一種標準獨有的校驗資料，會在製造過程中量測及儲存，可確保用於執行每一種量測的傳輸標準，這些校驗資料可至美國國家標準與技術研究院(NIST)查詢。在E-Cal期間會測得七個獨特的電子狀態，每一個新的狀態皆會自動以FET開關切換至量測路徑。
除了連接E-Cal模組外，校驗期間沒有任何需要使用者介入操作的情況。VNA與TDR E-Cal模組間有一重大差異。TDR可執行至直流電(DC)的量測，但VNA的頻率限制較低，通常在10's MHz。用於執行TDR量測的E-Cal模組用於確保標準，係測試至DC步進特性；標準VNA E-Cal模組則無法用於TDR量測。
為執行電子校驗，每個TDR取樣頭只要連接至E-Cal模組一次。圖4為2埠E-Cal的圖片，只需要兩個連接，而同埠數的機械校驗則需要八個連接，如圖5所示。
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| 圖4 連接TDR取樣頭的TDR/TDT E-Cal模組 |
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| 圖5 2埠校驗的機械標準要求 |
機械校驗與電子校驗的總連接數/斷開數與TDR取樣頭數量，概要說明於圖6。很明顯地，使用E-Cal模組取代機械標準可減少連接/斷開的數量。
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| 圖6 校驗所需的連接數量與TDR取樣頭數量 |
於校驗期間連接/斷開所需的時間，占總校驗時間的絕大部分。圖7說明機械校驗與電子校驗的總時間與TDR取樣頭的數量。整體而言，電子校驗所需的時間，約為機械校驗的一半。此處的重點為，在電子校驗期間會量測各埠的其他阻抗狀態，因此特定埠數的E-Cal量測時間較長。最後，使用E-Cal模組仍因連接數量較少，因此整體時間仍舊較短於機械校驗。此外，電子校驗期間的使用者介入操作也大幅減少。
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| 圖7 TDR/TDT校驗時間與TDR遠端取樣頭數量 |
多通道裝置量測實作
完成校驗後，便可連接並量測裝置。須量測的訊號路徑數量，隨裝置埠數不同而異。若為2埠裝置，則總共需要四次量測。隨著裝置埠數增加，所需的量測次數也會以裝置埠數的平方倍數增加。例如，4埠裝置便需要十六次量測，8埠裝置需要六十四次量測，而16埠裝置便需要二百五十六次量測等。
一般使用TDR測試其特性的多通道裝置，是能夠以10Gbit/s支援4通道通訊量的InfiniBand被動式電線(Passive Electrical Cable)。InfiniBand是使用多通道增加傳輸率的高速雙向點對點通訊連結。如同單通道裝置一樣，此為測試多通道裝置各通道TDR/TDT特性的重要裝置。此外，鄰近干擾源通道對於受干擾通道(Victim Channel)的影響，也須要加以研究。這點很重要，因為通道間的訊號串音(Crosstalk)可能會減弱眼圖開口，並可能導致接收器的位元誤差。
使用八個TDR取樣頭的測試連接，如圖8所示。模擬連接埠1的步階，係於4埠的各埠測得。時域反射訊號(TDR)則於連接埠1量測，而發射步階(TDT)則於連接埠2量測。近端串音訊號(NEXT)及遠端串音訊號(FEXT)，則分別於連接埠3跟4量測。
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| 圖8 TDR、TDT、NEXT與FEXT所需的測試連接 |
量測纜線之測試裝備如圖9所示，纜線各端的測試夾具會視纜線輸入/輸出端的接頭，調整測試夾具的同軸發射。測試夾具上未使用的連接埠，須以50歐姆(Ω)終端。為達10微微秒(ps)的訊號緣速度的時域量測(圖10)。重點是，各波形之垂直單位與定比(Scaling)皆不相同。TDR波形的垂直單位為歐姆，而其他波形單位為毫伏特(mV)。NEXT與FEXT的串音定比--2mV/div，大幅小於TDT入射步階定比(100mV/div)。TDR圖顯示同軸發射至測試夾具的反射，並清楚顯示受測纜線各端的反射。將TRD反射與NEXT圖的反射相比，可證明受干擾通道的耦合發生於纜線各端。比較TDT波形與FEXT波形後，亦可得出類似結論。
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| 圖9 量測被動式4通道纜線套件之測試裝配 |
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| 圖10 TDR、NEXT、TDT以及FEXT量測結果 |
時域結果也可以S參數顯示於頻域中，工程人員可從S參數的結果，獲得對擷取裝置效能的實用見解。纜線的反射損耗與插入損耗(SDD11與SDD21)如圖11所示。此外，為提供比較用途，圖中亦顯示VNA測得之S參數，兩種量測儀器所測得的相近結果，如圖所示。
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| 圖11 使用TDR與VNA測得之插入損耗(SDD21)與回返損耗(SDD11) |
實際上，執行差異化TDR量測所需的最低取樣頭數量為2，而差異化TDR/TDT量測所需的取樣頭數量為4。可用於量測特定裝置埠數的TDR取樣頭數量間，存有量測時間取捨。圖12說明以TDR取樣頭數量為基礎，完整測試16埠裝置特性所需的連接數量與斷開數量。不論TDR取樣頭數量為何，每一個未使用的連接埠都須要以50歐姆的負載終端。測試多通道裝置特性時，增加TDR取樣頭數量有助縮短測試時間，而電子校驗是校驗多個TDR取樣頭最有效率的方法。
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| 圖12 以TDR取樣頭數量為基礎的16埠裝置所需的連接/斷開 |
裝置埠數多時 宜採電子校驗
TDR校驗可消除系統儀器誤差，並修正測試夾具損耗與反射，確保最準確的量測。隨著裝置埠數增加，一般使用機械標準的TDR校驗，變得既麻煩又費時。使用電子校驗模組的新做法，可大幅減少連接數量，進而縮短量測先進多通道裝置所需的整體時間。
(本文作者皆任職於是德科技)