通道運行邊際(channel operating margin,COM)是將多個量測參數整合成一個類似於訊號雜訊比(SNR)的品質因數,就像有效位元(ENOB)一樣,用於表徵類比數位轉換器(ADC)。對COM來說,餘量(margin)越大、通道性能越好;因為COM是根據不同量測參數整合出來的,而且包括模型結果(results of models),因此有許多因素會導致它出問題。

在我們介紹這種新的可觀察變數(observable)之前,先讓我們回顧一下大約15年前是如何處理類似情況:抖動(jitter)。

與COM相比,抖動似乎很單純:訊號轉換時序與它們理想值之間的差異。我們很容易以這些時序差異的直方圖(histogram)來想像其分佈。圖1展示了示波器如何以眼圖來顯示抖動,現在示波器是使用直方圖來表徵抖動。

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圖1 示波器可以提供抖動分佈情況。(來源:Teledyne LeCroy)



總抖動的錯誤

長時間來出現在時脈資料手冊上的峰對峰抖動(peak-to-peak jitter)表明是不夠充分的;來自隨機過程的抖動—主要來自於串列/解串列器(SerDes)參考時脈的相位雜訊—隨時間會不斷變化;量測峰對峰抖動的時間越長,得到的抖動值就越大。在此時,推動高速串列資料技術標準的業者會遵循知名美國職棒大聯盟捕手 Yogi Berra的建議:「當你遇到一個好時機,一定要把握(When you come to a fork in the road, take it.)。」

為了避免定義不清、又不可能再現的峰對峰抖動,我們有很好的理由選擇在一種新的量化定義參數中包含誤碼率(bit error ratio,BER),也就是TJ(BER)—在某個BER定義的總抖動(total jitter)。TJ量測某一既定BER時的眼圖閉合度(eye closure);也就是說,如果TJ(BER)小於這個BER指定的位元週期,你就有一定的抖動餘量,而且你應該可以接受——這正是人們想要的峰對峰量測功能。

聽起來很棒!可以慶功了,是嗎?

別急…因為我們關心的BER非常低,大約是1E-12到1E-18,因此需要花很長的時間來量測TJ(BER),而且唯一可用設備——誤碼率測試儀(BER Tester,BERT)——真的很貴,對於診斷實驗室其他問題又不那麼有用。

為此我們開發了許多技術,想要從量測結果快速估計TJ(BER),但這會導致一個很大的問題:你可能稱之為叢集抖動(cluster jitter)。仰賴示波器功能的推斷技巧可量測抖動的單獨分量,如:隨機抖動(Random Jitter,RJ)、精確抖動(Deterministic Jitter,DJ)、符際干擾(InterSymbol Interference,ISI)、週期性抖動(Periodic Jitter,PJ)、佔空比相關(duty-cycle dependent,DCD、亦稱為工作週期相關),以及數個你可能知道或者已經忘記的幾個專有縮寫名詞代表的分量。

各家測試與量測業者開發出了許多不同的方法,量測結果大相逕庭——從2000年直到2006年,來自不同測試與量測業者設備的測試結果至少差30%、甚至經常超過100%,而且這些業者都是你所熟知、信賴,生產卓越設備的公司。在2004年以前,沒有人能組裝出一套可以準確區別哪些結果是正確、哪些結果又是錯誤的系統。

問題來自於我們如何選擇將RJ、DJ、ISI、PJ等結果整合成「套餐」、然後在此基礎上估計出TJ(BER);透過從相互依賴的數值套餐(如圖2)中構建TJ(BER),我們很難判斷套餐內容的量測資料哪裡出錯。你會發現,如果改變ISI值,你也會改變RJ值;而如果添加了串擾(crosstalk),所有功夫都白費了。

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圖2 由相互依賴變數組成的套餐很難除錯,而COM就是這樣的一種套餐。



隨著我們從幾Gbits/s發展到10+Gbits/s,ISI成為最大問題;ISI是由通道的頻率響應所導致,它會改變訊號的幅度和時序,改變程度取決於傳送符號的順序。這個問題為我們帶來了COM,也帶來了歷史重演的可能性。

回溯至2003~2004年,我們之中有一些人在當時的安捷倫科技(Agilent)打造了一套精密的抖動發送器,並將所有量測業者提供的各種抖動分析儀放在一起工作。我們將量測所得的精確RJ、PJ、ISI和DCD(即隨機抖動、週期抖動、符際干擾和占空比失真)組合成套餐,做了數百次的量測,然後我靜靜地坐在客廳裡,試圖判斷最佳技術。

當時我遭遇的最大問題是套餐內成分太多,即使我精確地知道每種抖動有多少進入每個訊號,也沒有辦法判斷為什麼不同的技術會失敗(而且它們都失敗了!)。

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圖3 量測儀器廠商推出的示波器產品,通常可提供完整抖動測試套餐,亦即COM。(圖片來源:Keysight)



為了讓那些量測有意義,我不得不做一些基本的科學實驗:從我們能打造出的最純淨、最低抖動系統開始,然後一次加入一種抖動、比較結果,接著增加第二種抖動、再比較結果,以此類推。我花費整整六個工作週來分析資料、找出哪些技術是精確的,以及其原因。

經過了兩年多時間,測試與量測產業各家公司才開始取得各自收斂到10%~15%之內的結果——整個產業困惑了超過五年以上,並且至少有一家公司因為無法產生精確結果而出局。

回到COM,擁有一個基於多種原因出現的單一品質因數,可以實現設計的靈活性又不犧牲互通性;這種組合——靈活性和互通性——是技術標準的理想境界。沒有人想要一種類似「技術社會主義」的標準,但每個人都希望它能確保互通性。

成功了!那就是COM——除非我們遇到面對抖動時遭遇的相同問題。

COM等於訊號幅度(signal amplitude)與集體訊號減損(collective signal impairments)的比值,包括來自訊號通道的減損、所有串擾源(aggressor)通道的減損,以及那些標準委員會能想到的所有其他來源引起的減損。

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方程式



與TJ(BER)一樣,COM量測的精度取決於其組成成分的精度;而與TJ(BER)不一樣的是,COM量測還取決於模型。以下是COM套餐的成分清單:

˙ 有問題通道和所有串擾侵害者的通道S-參數。 · 發送器和接收器(即SerDes)封裝模型。 · 接收器的3dB頻寬。 · 發送器等化器係數的最大/最小值。 · 連續時間線性等化器(CTLE)之增益。 · 受害者與近端、遠端串擾源的峰對峰差分輸出電壓。 · 電平分離失配比(Level Separation mismatch ratio,針對PAM4應用)。 · 發送器的訊號雜訊比。 · 判決回饋等化器(decision feedback equalizer,DFE)長度和係數限制。 · 隨機抖動。 · 與Dual-Dirac模型有關的峰對峰DJ。 · 單側雜訊譜(One-sided noise spectral)密度。

以上這份清單讓TJ(BER)處方看起來相當精簡——天啊!