标准的抖动量测

抖动量测的原理大体上可以分为两类，即SONET/SDH和非SONET/SDH理论。这二派理论的目标都在于找出发射信号上的抖动，以及确认接收器所能容忍的抖动程度。SONET/SDH抖动量测已经存在很长一段时间了，但它的执行成本较高，而且很难以系统性的方法建立信息与特定的装置特性间的关系。另一种理论主张量测抖动的随机和确定性成分，即所谓的无限和有限成分，这时必须使用一种实际的方法来检验这些成分。

眼图是显现抖动的一个好方法。某特定位究竟是1或0，通常是在眼图的中间部份决定的。如果我们站在中间，有时某个边缘会滑向我们这一边。如果愿意等待够长的时间（或抖动的情形够糟），我们将会看到一直滑动、超越眼图的中心（晚到边缘）、或者太早到达而出现在眼图的中心或前面（早到边缘）的边缘。这些情形都会造成不当的决定，进而导致错误。即使是设计精良的发射器，也会发生这种情况。我们只要确定它们不会经常发生就行了，至于可被接受的发生频率则取决于目标BER – 以真实的系统来说通常为1x10-12。

为了证实错误的发生频率不会过高，专为计算错误而设计的仪器是必然的选择 - BERT（误码率测试器）。BERT与接收器采用相同的决定方式 – 设定一个时间决定点，通常是在位周期的中点。它们会在该时间点，依据进入的位究竟比预设的电压临界值高或低来做决定。早到边缘或超过决定点所在位置的晚到边缘，将会被视同错误加以记录。追踪造成此种情形的位比例，即可能发现幅度大到足以在决定点位置引起错误的抖动。效率是BERT的一项重要优点 – 有别于取样不足的仪器，如示波器和时间间隔分析仪（TIA’s），BERT会取样每一个进入的位。然而我们的目的是要确认不太常发生的某件事情，100%的取样效率可能会使量测耗费很多的时间。举例来说，在一个1 Gb/s的系统中，以1x10-12的BER而言，平均每1000秒（~17分钟）才会出现错误，一般假设您必须量测10或100个错误之后，才有信心说您量测到了特定的错误效能。这时需要的是能够加快量测速度的方法。

图1：范例眼图的交叉点，显示多个位路径（DJ）和每个路径的模糊特性（RJ）。

回想眼图作为显现抖动的方法会很有帮助。我们从图1的眼图，可以观察到波形的一些特性。首先，我们似乎看到了多重路径 – 有些位的上升缘发生时间，与其它位的上升缘发生时间明显不同。这并非随机现象，而是一再发生的情形 – 码型中的一些序列是待测电路较容易处理的，至于其它较难处理的序列则会稍微失真。太早和太晚到达的位会转变成抖动，而且因为这个机制是完全可重复的，所以称之为确定性抖动（DJ）。另一个观察结果是，每个路径都具有模糊的特性 – 即使是某个特定的码型序列，其边缘到达时间也会有所差异。这与确定性抖动不同，因为它会发生在所有的位序列上，所以称为随机抖动（RJ）。随机过程通常会呈现一个规则的机率分布。一项观察结果是，糟的抖动可能源自于“叠加”在严重的系统机制（DJ）上的随机机制（RJ）的尾部。短测试码型如27-1（‘PRBS-7’，长度为127个位）会经常重复，所以码型中容易处理与难以处理的部份会常常出现。在任何量测中都很可能会出现极端的系统性机制，而随机机制则会呈现一个规则、可预测的分布。或许有一种方法可以利用这项信息来加快量测的速度。

BERT与接收器判定电路间的主要差异是，BERT决定点的时间和电压临界值可以轻易地加以改变。不将决定点设在眼图中心，我们开始往左右两个方向将它移到不同的时间（在眼图上的水平方向），看看会发生什么情况。在一个相当完美的眼图的中心，应该很少会出现错误。往左边移动，我们发现很长一段时间都没有变化 – 仍然没看到什么错误。在接近交叉点时，情况变得更有趣了。当我们进入远的确定路径的外侧（随机）尾端时，错误开始多了起来。如果我们将它绘制成图，以位周期中的位置为x轴，以错误机率为y轴，则在此区域内撷取到的资料点应该会呈现一个规则的机率分布。我们可以采取曲线拟合的处理方法，并从眼图中快速测得的部份外推到10-12，这在以往是一件相当费时的工作，现在我们可以透过更具时间效率的方法，估计出在非常低的机率极端值下的抖动效能。我们也可以根据曲线的位置，算出它偏离理想的边缘到达时间的距离，进而推论抖动的确定性部份。结合以上两项快速获得的信息，我们得出在10-12下的总抖动为RJ与DJ部份的总和。

图2：依据大约10-7的BER执行量测所得到的bathtub曲线，以及在较低的BER下执行外推法所获得的抖动效能。

在曲线中间的平坦部份（几乎没有错误）及两端上升的陡峭曲线，说明这个图形为何会被称为澡盆（bathtub）曲线。通常y轴会以对数BER表示。图2显示BERT测得的bathtub曲线的一部份，左边则列出了代表总抖动（TJ）、随机抖动（RJ）和确定性抖动（DJ）的数字，它们是依据所需的BER执行外推法而得到的。

BERT并非可执行这项量测的仪器。基于其它量测原理的仪器也可用来量测高速边缘的时序，包括实时示波器、取样示波器（DCA）和时间间隔分析仪（TIA）。量测边缘的到达时间，可以绘制出相同的bathtub曲线。当必须量测到非常低的机率时，这些仪器会与BERT出现一样的问题。要量测到10-12的机率，必须花很长的时间才能撷取到足够的资料。它们与BERT之间的一项重要差异会使问题变的更严重，那就是取样效率。这些仪器都有取样不足的缺点。DCA和TIA撷取一或二个取样后，会有一段期间都无法再撷取其它的资料。实时示波器的情况也很类似，当它撷取一批资料后，必须花一些时间处理，才能再撷取另一批资料。为量测资料效率，我们以相当于高速BERT的撷取速度，每秒撷取10亿个取样，并将它与一千个取样（DCA/TIA）或百万个取样（RT示波器）加以比较。利用取样不足的仪器来执行量测，必须进一步执行外推法才能估计出10-12。只要用来执行曲线拟合的模型及确实撷取到的资料是正确的，外推法仍然有不错的效果。该如何开发执行外推法的模型并没有一个通用的标准，而且这些模型通常是专属的。没有人规定您该如何解决这个问题，但MJSQ1提出了实用的建议。在这个标准中，我们了解到依赖特定模型所使用的资料组，可能会产生多严重的错误。

现在我们有一个理想、快速的方法，可以执行准确的抖动量测了。值得注意的是，当针对抖动的随机部份进行曲线拟合时，务必避开确定部份所造成的任何效应，否则外推的结果可能会很差。请回想我们有关码型长度的讨论。在快速的量测中，必须经常重复测试码型，以确定可在量测中撷取到它们。以PRBS-7为例，1秒钟会重复许多次。PRBS-31包含了20亿个位，以每秒10亿位的速度，每重复大约要花2秒钟。长PRBS码型包含了长串的0，以及其它特别可能在测试装置中引发确定性抖动的序列。可能引起问题的序列，在每一个重复的码型中只会出现，因此机率很低 – 只是10亿位中的少数几个位。现在我们的眼图中出现了一个不常出现、且拥有自己的RJ尾部的东西。为了准确描述抖动，我们的量测技术必须捕捉到它。这表示执行BERT量测时，我们必须确定量测到bathtub曲线上足够的资料，以确保捕捉到所有的确定性活动，而且我们的RJ外推法不会受到它的效应所影响。就其它的仪器而言，情况稍有不同。对于每10亿个位才发生的效应，以kilohertz或megahertz来取样的仪器，必须花很长的时间，才能确定撷取到执行准确的抖动量测所需的全部效应。这对这些仪器会造成问题，因此它们通常都会使用其它的线索来尝试执行准确的外推法。

图3：一个包含潜在错误底线的bathtub曲线。

图3显示在执行快速的量测时，可能造成问题的另一种情况。图2与图3的待测装置其实是相同的 – 但在图2中，因为执行量测的时间不够长，而无法看到造成在大约10-8处出现错误底线的偶发干扰效应。这里的待测装置是一个收发器，它受到了从附近电路发射，并进入灵敏的接收器电子的穿透所影响。这时任何10-12的抖动外推显然都是无效的，而DJ和RJ的结果将不具任何意义。比较好的方法是在激活bathtub之前，检查眼图的中心是否出现错误底线，有些BERT会自动执行这个步骤。取样不足的仪器可能很难侦测出像这样的错误底线，只因为所需的量测时间太长了。除了抖动之外，还有很多因素会导致错误底线的发生。虽然在这个例子中抖动是基本的原因，但当出现机率很低的振幅差异时也可能造成错误底线 – BERT无法辨别在时间上偏离太远的边缘，以及在振幅上分散太远的逻辑位准。有时可以从眼图中找到一些线索，因此有必要使用示波器来检查。

作为测试策略，许多仪器都提供了理想的外推结果。对于大约3 Gb/s及以下速度的应用，TIA和实时示波器的执行效能很不错，但对较高位速率的应用来说，则必须选择BERT和DCA。虽然BERT可以执行快速的量测，亦即只撷取bathtub曲线中较高的取样点并执行外推法，但它们主要的优点则是必要时能够执行直接的量测。对研发工作来说，撷取接近指定区域的取样点之完整bathtub量测可以提供详细的信息，并确保没有潜在的设计问题。这种方法必须花费较多的时间，但却是确切掌握装置特性的方法。在制造过程中定期执行这项量测，也能确保问题不会在一段时间之后浮现。
作者介绍

Guy Foster出生于英国，他自英国伯明翰大学取得物理与电子理学士学位，后来还以整合光学技术研究在伦敦大学取得博士学位。Guy目前在安捷伦科技位于加州Santa Rosa的数字信号分析事业部负责市场行销工作。以往他有许多的嗜好和兴趣，现在全被孩子们给取代了。