8/5/2004,
作者：Guy Foster
　　讓我們想象一下，您正面臨著把千兆位通信設(shè)計轉(zhuǎn)向生產(chǎn)的巨大壓力。最后一個問題似乎很難捕捉，芯片之間的高速通信似乎一切正常，但偶爾出現(xiàn)您不能跟蹤的誤碼。眼圖看上去足夠健康，當(dāng)然就象以前全功能系統(tǒng)看到的眼圖一樣。到底發(fā)生了什么情況？正常的表面下面是不是掩藏了抖動問題？
　　抖動測量體系大體上可以分成兩組：SONET/SDH方法和非SONET/SDH方法。在這兩大陣營中，其目標都是找到傳送的信號有多少抖動及接收機可以容忍多高的抖動。SONET/SDH抖動測量已經(jīng)使用了很長時間，但其成本可能非常高，可能很難系統(tǒng)地把信息與特定設(shè)備特點關(guān)聯(lián)起來。另一種方法是測量抖動的隨機成分和確定性成分或無界成分和有界成分，要求一種實用方法來檢查這些成分。
　　眼圖為可視化抖動提供了一種優(yōu)秀的方式。通常在眼圖中間判定給定的比特是1還是0。如果我們站在中間，過一會會有一個邊沿傾向我們。如果我們愿意等足夠長的時間(或抖動足夠差)，我們最終會看到邊沿完全傾斜、或者邊沿超過眼圖中心(后沿)、或者邊沿出現(xiàn)得太早而發(fā)生在中心上或中心前(前沿)。這些情況會導(dǎo)致作出差的判定，而差的判定明顯是一種錯誤。即使優(yōu)秀的發(fā)射機也會發(fā)生這種情況。我們只需保證這種情況發(fā)生得不要太頻繁就可以了。多少頻次可以接受取決于目標BER，在實際系統(tǒng)中BER通常是1x10-12。
　　為檢驗錯誤發(fā)生的頻次位于其預(yù)計范圍之內(nèi)，很明顯應(yīng)該選擇為計算誤差而設(shè)計的儀器 – BERT (誤碼率測試儀)。BERT進行判定的方式與接收機相同，其在某個時點上設(shè)置判定點，其通常是一個位周期的一半。在這個時點上，其根據(jù)進入的比特是高于還是低于預(yù)設(shè)的電壓門限來進行判定。超過判定點位置的前沿或后沿會記錄為錯誤。通過跟蹤發(fā)生這種情況的比特的比例，可以確定擁有足夠幅度、在該判定點位置會導(dǎo)致錯誤的抖動概率。BERT的一個主要優(yōu)點是效率高，與取樣不足的儀器(如示波器和時間間隔分析儀TIA)不同，BERT對每一個進入的比特取樣。但是，我們在這里希望檢驗發(fā)生的不太頻繁的項目，即使取樣效率為100%，但測量仍會需要非常長的時間。例如，在1 Gb/s系統(tǒng)中，對1x10-12 BER平均每隔1000秒(~17分鐘)錯誤會發(fā)生一次，常用作法假設(shè)用戶需要測量10個或100個錯誤，然后才會相信測量的某個誤差性能。加快測量速度的方式將受到用戶歡迎。
　　　　　　 
圖1:  眼圖實例的交點，說明了多個位路徑 (DJ)每個(RJ)上的失真

　　使用眼圖作為抖動可視化的方式非常有用�？匆幌聢D1中的眼圖，我們可以對波形得出多個結(jié)論。似乎可以看到多條路徑，某些比特的上升沿發(fā)生的時間明顯不同于其它比特的上升沿。這種情況不是隨機性的，而是多次發(fā)生，對被測電路來說，碼型中的部分序列處理起來比較簡便，但某些其它序列處理起來則比較困難，電路使其略微失真。提前到達的比特和遲到的比特轉(zhuǎn)換成抖動，由于這種機制是完全可以重復(fù)的，因此這稱為確定性抖動(DJ)。另一個觀察結(jié)果是每條不同的路徑都有相關(guān)的失真，即使對給定的碼型序列，在邊沿的到達時間中仍有變化。這和確定性部分分開，同樣適用于所有位序列，稱為隨機抖動 (RJ)。隨機流程一般有良性的概率失真。最后一個觀察結(jié)果是最壞情況的抖動極限可能來自于隨機機制(RJ)的尾部，它“疊加”在最壞情況的系統(tǒng)機制(DJ)上。短測試碼型如27-1 (‘PRBS-7’, 長127位)經(jīng)常重復(fù)，因此碼型的簡便部分和碼型的困難部分都頻繁發(fā)生。很可能系統(tǒng)機制極限情況會出現(xiàn)在任何測量中，隨機機制有良性的可以預(yù)測的失真�？赡苡心撤N方式，利用這些信息加快測量速度。
　　BERT和接收機判定電路之間的主要區(qū)別之一是，BERT 判定點在時間和電壓門限上簡便變化。我們不再把判定點固定在眼圖中心，而是開始在其中一個方向上在時間上移動判定點(在眼圖水平方向上)，以查看會發(fā)生什么樣的情況。假設(shè)眼圖相對較好，那么眼圖中心應(yīng)看到非常少的錯誤。向左移動，我們看到很長時間沒有變化，我們幾乎沒有錯誤。在我們接近交點時，事情發(fā)生了有趣的變化。在我們進入最極端的確定性路徑的外部(隨機)尾部時，我們開始看到更頻繁的錯誤。如果我們在圖上繪制這種情況，把位周期作為‘x’軸，把錯誤概率作為‘y’軸，那么在這個區(qū)域內(nèi)獲得的點應(yīng)該呈良性概率分布。我們可以對其進行曲線擬合，從能夠迅速測量的眼圖部分直到耗時太大而不能實現(xiàn)的10-12進行推斷。我們現(xiàn)在可以以時間上非常高效的方式，以非常低的概率極限估算抖動性能。從曲線的位置，可以確定其與理想邊沿到達時間的偏移程度，進而推導(dǎo)出抖動的確定性部分。把這兩部分信息結(jié)合在一起，我們可以迅速得到10-12時的總抖動是RJ部分和DJ部分之和。
　　　　　　 
圖2: 在10-7 BER周圍進行測量及在較低BER上推斷抖動性能的浴缸曲線。

曲線中間部分平坦 (大體沒有錯誤)、在每一端曲線急劇上升，形象地說明了為什么把這一圖表稱為浴缸。通常情況下，Y軸是對數(shù)BER。圖2說明了在BERT上測得的浴缸曲線的一部分，左邊的數(shù)字是針對希望的BER進行推斷后導(dǎo)出的總抖動(TJ)、隨機抖動(RJ)和確定性抖動(DJ)。
　　BERT并不是唯一能夠進行這一測量的儀器�；�于其它測量原理的儀器也可以用來測量高速邊沿的定時，包括實時示波器、取樣示波器(DCA)和時間間隔分析儀(TIA)。 測量邊沿的到達時間可以構(gòu)建相同浴缸類型的曲線。在要求以非常低的概率進行測量時，其存在與BERT相同的問題。它需要非常長的時間來采集足夠的數(shù)據(jù)，以10-12概率直接進行測量。由于這些儀器和BERT之間的關(guān)鍵差異(源于取樣效率)，這個問題會進一步擴大。這些儀器都取樣不足。DCA和TIA提取一個或兩個樣點，然后安靜一段時間，在這段時間其不能進一步采集數(shù)據(jù)。實時示波器與此類似，它采集一塊數(shù)據(jù)，然后需要時間對數(shù)據(jù)進行處理，然后才能采集另一塊數(shù)據(jù)。為測量數(shù)據(jù)效率，我們使用取樣速率相當(dāng)于每千秒兆樣點的高速BERT，把它與幾千樣點(DCA/TIA)或幾兆樣點的設(shè)備(實時示波器)進行比較。這樣，使用取樣不足的儀器進行測量時，必須進行多得多的推斷，才能估算出10-12的抖動。但是只要用來進行曲線擬合的模型及實際采集的數(shù)據(jù)是精確的，那么仍然是可以進行推斷的。人們建立推斷模型的方式?jīng)]有公認的標準，模型通常采用專有模型。沒有人規(guī)定怎樣解決這個問題，但MJSQ1中提供了一些有用的建議。在這一標準中，我們看到根據(jù)特定模型使用的數(shù)據(jù)集會怎樣導(dǎo)致明顯的不精確性。
　　我們現(xiàn)在擁有優(yōu)秀快捷的途徑進行精確的抖動測量。那么到底是什么原因?qū)е虏荒苁褂眠@些方法呢？在對抖動的隨機部分進行曲線擬合時，把其與確定性部分可能導(dǎo)致的任何影響分開非常重要，否則推斷效果可能會很差。記住我們在討論碼型長度提到的問題。對快速測量，您需要頻繁地進行重復(fù)，以保證在測量中捕獲這些事件。對PRBS-7，這需要重復(fù)許多許多秒。PRBS-31由20億位組成，因此對每秒千兆位來說，每次需要重復(fù)大約2秒。長PRBS碼型包含著一長串0及其它序列，這些序列極有可能在容易發(fā)生抖動的設(shè)備中引起確定性抖動。在每個碼型重復(fù)中，最糟糕的問題序列可能只出現(xiàn)一次，因此概率很低，可能是十億分之幾�，F(xiàn)在，我們在擁有自己的RJ尾部的眼圖中有一個發(fā)生不頻繁的外層。為精確地描述抖動，我們的測量技術(shù)必須捕獲這一點。這意味著對BERT 測量，我們必須保證我們沿著浴缸曲線測量足夠的數(shù)據(jù)，保證我們捕獲了所有確定性活動，并且從RJ推斷中去掉了其影響。其它儀器面臨的情況有很大差別。對每10億位才發(fā)生的影響，以千赫或兆赫取樣的儀器必須在非常長的時間內(nèi)取樣，才能保證捕獲進行精確抖動測量所需的全部效應(yīng)。這給這類儀器提出了一個問題，特別是這些儀器使用其它線索來進行精確推斷時。
　　　　　　
圖3: 帶有底層本底誤差的浴缸曲線。

　　圖3說明了可能會給迅速測量帶來問題的另一種情況。事實上，被測的設(shè)備在圖2和圖3中相同，但在圖2中，測量進行的時間不夠長，而不能查看在大約10-8時導(dǎo)致本底誤差發(fā)生不頻繁的干擾效應(yīng)。在這種情況下，被測設(shè)備是一臺收發(fā)機，其受到了附近電路發(fā)出的、進入靈敏接收機電子電路中的突破電壓的影響。很明顯，在這種情況下，低達10-12的抖動的任何推斷都是無效的，DJ和RJ的結(jié)果是沒有意義的。最好檢查眼圖中心，確定在浴缸初始化前存在本底誤差，某些BERT會自動執(zhí)行這一步。取樣不足的儀器很難檢測到這種本底誤差，因為其需要的測量時間太長。本底誤差發(fā)生的原因有很多，而不只是抖動。盡管在這種情況下，抖動是基礎(chǔ)原因，但在存在低概率幅度變化時，還會出現(xiàn)另一種可能，BERT不能把時間上偏離太遠的邊沿與幅度上偏離太遠的邏輯電平分開。有時，眼圖中可能會提供一些線索，因此值得使用示波器查看眼圖。 
　　作為一種測試戰(zhàn)略，許多儀器提供了優(yōu)秀的推斷結(jié)果。TIA和實時示波器特別適合3 Gb/s左右及以下的應(yīng)用，但對更高的信息速率，只能選擇BERT和DCA。盡管BERT能夠進行快速測量，其只提取浴缸曲線中較高的點及進行推斷，但BERT擁有獨特的優(yōu)勢，能夠在需要時進行直接測量。對研發(fā)應(yīng)用，可以揭示全面的浴缸測量結(jié)果，在指定區(qū)域上或指定區(qū)域附近提取樣點，保證找到以后可能會導(dǎo)致問題的設(shè)計隱患。它需要額外的時間，但這是確定設(shè)備實際性能的唯一方式。最好在制造中定期進行這種測量，以確保問題不會蔓延。
　　　　　　

作者簡歷：
Guy Foster出生于英國，他畢業(yè)于英格蘭伯明翰大學(xué)電子專業(yè)，獲物理學(xué)學(xué)士學(xué)位。之后，他從倫敦大學(xué)獲集成光器件專業(yè)獲博士學(xué)位。Guy現(xiàn)在加州圣克羅莎市的安捷倫科技公司數(shù)字信號分析分部負責(zé)通信測試產(chǎn)品的市場推廣工作。他過去有許多愛好和興趣，但現(xiàn)在更多地關(guān)注自己的孩子。
參考資料：
1. 光纖通道 – 抖動和信號質(zhì)量指標使用的方法 – MJSQ, T11.2, 2003年3月10日。附錄J – 低概率CDF推斷(第193-198頁)
2. 結(jié)合使用浴缸抖動軟件及Agilent 86130A和71612C誤差性能分析儀。應(yīng)用指南1550-12, 2002年12月