是德科技

量測技術文摘

秋季版

是德科技量測技術文摘 秋季版

AUTUMN

量測技術篇

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使用向量信號源與分析儀加速執行遠端增益與波群延遲量測

工程師通常使用向量網路分析儀（VNA）執行

增益與波群延遲量測。VNA會使用掃描的正

弦曲線信號作為激發信號，並擷取待測裝置（DUT）

的響應。本文所述之另一種替代方法，則是使用寬頻

多載波信號作為激發信號。硬體設定包括使用向量信

號產生器（VSG）產生寬頻激發信號，並使用向量信

號分析儀擷取DUT響應。藉由使用兩種不同的儀器，

您可分別對位於不同地點的信號源與接收器進行量

測，適合天線範圍較大的應用。

在較大的天線範圍中，發射器與接收器可能位於不同

地點。而傳統的VNA則是在單一儀器中同時納入信號

源與接收器，如此便需從VNA拉一條長纜線至天線範

圍內的發射器與接收器。在高頻狀況下，長纜線會導

致難以修正甚或無法修正的大量損耗。如果使用兩部

儀器，您便無需使用長纜線，可減少校驗挑戰。

本文詳述如何使用向量信號產生器與向量信號分析

儀，作為量測增益與波群延遲之寬頻解決方案。實作

過程包括校驗挑戰與錯誤信號源的分析。實驗結果將

與傳統的VNA進行比較，並探討此方法之潛在應用。

產生激發信號

激發信號是由包含可變間距之任意數量音頻所構成

的多音頻信號。由於量測為激發信號與響應信號的

比例，因此，音頻與音頻之間的相位關係可能有所不

同。音頻的相位分佈可加以調整，以提供激發信號不

同的特性，如：顯示為高斯雜訊（Gaussian noise）

的隨機相位分佈，或產生柔和波峰因數（crest fac-

tor）的拋物線狀分佈。

您可使用任意波形產生器（AWG）來產生寬頻多音

頻信號。新型AWG可產生多GHz的類比頻寬。然而，

大多數應用都需藉助外部RF升頻，將激發信號移至

中心頻率，但外部升頻器與測試纜線需先經過修正，

以便抑制失真產物，並確保量測參考平面之正確激

發信號特性。修正是在閉路系統中使用頻譜分析儀

執行的，以便量測信號特性。接著需套用數位預失

真（DPD），以提高參考平面之激發信號品質。圖1

及圖2顯示預修正及已修正的信號。驗證激發信號之

後，便可擷取參考資料。

圖1：未修正之多音頻激發信號。

圖2：已修正之多音頻激發信號。

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量測技術

2014 Autumn

信號擷取與量測

VSA會擷取並儲存每個參考音頻的複合資料，接下來則加入

DUT並使用與參考音頻相同的方式記錄其響應。響應與激發

信號之比例化量測值則用於計算DUT的增益與波群延遲。響

應與激發信號無須位於相同頻率，因為這兩種信號皆會在

VSA中，以中頻（IF）降頻並數位化。如此便可執行頻率轉

換裝置之量測。

DUT的嵌入LO可插入相位與頻率偏移誤差。大多數裝置的

LO皆鎖定至具備高度頻率穩定性的水晶振盪器，以將頻率

偏移誤差的機率降至最低。任何頻率漂移都將在VSA的寬接

收器頻寬內擷取。隨著時間推移，頻率偏移將會顯示為線

性相位變化。若已知頻率偏移值，則以單一音頻作為試點

（pilot），便可估算相位變化的斜率。LO相位漂移會為每

一個音頻帶來常數相位偏移，但此常數在以下定義的波群延

遲計算中，將予以移除：

由於已知參考音頻的頻率與相位，因此可執行頻率量測並擷

取後續響應之相位漂移。

挑戰

在激發信號與響應路徑中，系統將帶來校驗挑戰。藉由分析

激發信號升頻路徑之特性並套用DPD，您可確保DUT輸入端

擁有正確的信號特性。另亦可分析RF降頻路徑特性，並用

於建立數位等化濾波器，以補償額外的失真。使用頻率轉換

裝置後，便須以輸入頻率分析升頻路徑特性，並以輸出頻率

分析降頻路徑特性。

參考資料擷取可視為無關信號源或負載不匹配（load mis-

match）誤差之響應校驗。可加裝精準度衰減器，將不匹配

誤差機率降至最低，以改善信號源與負載阻抗匹配 [1]。

實作

圖3顯示所需的硬體配置，其中使用VSG產生激發信號，而

VSA則當作接收器使用。本文所使用之配置包括：寬頻任

意波形產生器（Keysight M8190A）、IQ調變器加升頻轉換

器（Keysight E8367D）、降頻器（Keysight N9030A）、

高速數位轉換器（DSO9404A）以及IQ分析軟體（Keysight

89601B）。

結果

此範例藉由量測400MHz範圍內，其中心頻率為10.24GHz

之濾波器，以便進行系統驗證。激發信號則是由400個以1

MHz為間距以及隨機相位分佈的音頻所組成。下頁圖4及圖5

將量測結果與VNA（Keysight N5242A）進行比較。

在濾波器通帶中，兩種方法呈現良好關聯性。振幅變異約為

0.1dB，波群延遲約為300ps。然而，這些差異係存在於兩種

儀器之不確定性範圍內。隨著音頻的功率等級接近雜訊位

準，於濾波器通帶外部所測得之雜訊也跟著增加。

圖3：硬體配置

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結語

如果信號源與接收器位於不同的地點，可使用兩種儀器來進

行遠端量測，是在大天線範圍等應用中執行量測的實用方

法。相對於使用VNA進行的參數測試，此方法可視為功能性

測試。例如：寬頻激發信號較接近於實際操作中，有多個通

道同時運作的衛星酬載（payload）；亦可在多音頻信號中

指定帶拒（notches），以激發非鄰近頻道。

本文所提議之方法可使用向量信號產生器與分析儀，進行增

益與波群延遲量測。藉由使用數位預失真與數位等化濾波

器，您可大幅減少頻率轉換與信號路徑所導致的誤差。結果

顯示，此方法所得之量測結果與傳統的VNA量測值之間具有

良好關聯性。圖4：記錄振幅（VSG/VSA：藍色，VNA：紅色）

圖5：波群延遲（VSG/VSA：藍色，VNA：紅色）

參考文獻

[1] Joel P. Dunsmore. Handbook of Microwave Compo-

nent Measurements: with Advanced VNA Techniques.

Wiley, 2012

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以設計完善的示波器網頁介面提高整體測試效率

摘要

本文將探討並說明新一代示波器的網頁介面。隨著網

路測試設備的使用日益普及，工程師需要易於使用與

存取的網頁介面。透過示波器網頁介面的進階特性，

工程師無須離開座位，也能夠存取示波器的所有功

能。各大專院校也可藉此建立更完善的虛擬教室，讓

學生彷彿置身傳統實驗室中。設計完善的示波器網頁

介面可面面俱到地滿足使用者需求，不論是使用虛擬

面板來控制、查看遠端示波器資料，或是儲存資料以

供日後分析之用。

挑戰

有時候工程師無法實際操作示波器，在這種狀況下，

他們要如何完成工作？此時，只要經由網路存取遠端

的示波器，工程師便可隨時隨地觀察示波器顯示的問

題。隨著Internet基礎設施不斷擴增，網路傳輸速度

變得十分快速，遠端操作也因而愈來愈普及。若遠

端的客戶或技術人員遇到問題，工程師只要登入示波

器便可協助排除障礙。如果使用者在偏遠地點架設了

重要設備，只要有網頁介面，便可將示波器連接該設

備，不需要親臨現場就能解決問題。同樣的，教授如

需在教學實驗室中教導學生如何使用示波器，學生只

要登入一部示波器，教授便可指導學生如何進行操作

並說明主要功能。許多大專院校都已建立線上課程以

吸引更多學生。這些學校可在校園中配置一整套實驗

室裝備，因此學生無需踏入校園也可進行實驗。遠端

連線示波器的效益不勝枚舉，但前提是，示波器不僅

要相容於LXI，還要具備設計完善的網頁介面。

虛擬面板

執行遠端操作時，示波器需提供操作便捷且簡單易懂

的虛擬面板。最理想的狀況是，虛擬面板看起來要跟

它所控制的示波器一模一樣；這樣使用者只要用過示

波器，就知道如何進行虛擬操作。

實體與虛擬面板的配置完全相同，使用者從虛擬面板

便可使用示波器的所有功能。另有許多出色功能可協

助提升使用者的面板操作體驗。首先，可使用鍵盤將

標籤及檔案名稱輸入示波器。就如實體示波器一般，

每個類比通道都有專屬的旋鈕，並設有數學、數位以

及參照波形專用的多工旋鈕。如此便可有效控制虛擬

顯示器的所有重要資料。使用者也可使用滑鼠滾輪控

制旋鈕，如同轉動實體旋鈕般。最後，如果電腦顯示

器無法同時支援示波器顯示器與鍵盤，使用者可將顯

示器與鍵盤拆開，改成更實用的配置。

遠端操作介面

傳送SCPI命令至示波器有許多用途，例如可應用於生

產線，確保製造商可持續取得各零件的測試結果，並

在研發階段件建立元件的自動化測試。工程師可使用

此網頁介面，在置入正式程式之前，測試部分SCPI命

令。網頁介面也提供整個命令集的快速參照，如此一

來使用者便知道有哪些可用的命令，並可在網頁介面

中試用，以確定取得所需的結果。在以下的圖形操作

介面（GUI）中，使用者可查看已傳送的命令記錄，

作為撰寫永久程式時的參照。

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量測技術

2014 Autumn

虛擬面板和遠端操作介面應用軟體有一項便捷功能，就是可以建立直接從桌面啟動Java應用軟體

的捷徑，完全不需要開啟網頁瀏覽器。對於想在實驗室中設定所有示波器快速存取的教師或技術

人員而言相當實用。使用虛擬教室示波器的學生可以在自己的桌面上放置捷徑，快速存取實驗室

的示波器。建立捷徑的連結位在「遠端編程」（Remote Programming）頁面以及「遠端前面板」

（Remote Front Panel）頁面的提示區。

儲存與重新叫出資訊

使用者可能常常需要將影像或波形資料儲存至本機電腦（而非示波器或連接示波器的USB隨身碟）

。因此，使用者需要的示波器，要能夠以直接從示波器儲存的相同格式儲存資料。如果要向同事

說明遠端示波器顯示的問題，儲存網頁是一個很好的方法。遠端教室的學生也可以利用此方式，

儲存特定實驗室的作業。使用者可利用此網頁介面，儲存可從易於操作的本機介面儲存的所有相

同格式。由於無法看到示波器的顯示器，網頁介面可在儲存資料或影像前，提供顯示器的預覽。

圖1：上圖為Keysight InfiniiVision X系列虛擬示波器面板，下圖則為實際的示波器面板設計。

圖2：將鍵盤與顯示器拆開後之鍵盤畫面。請注意，左上角的反白箭頭代表使用者可連接或拆下鍵盤。

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如此一來便可在按下儲存按鈕前，確保所要儲存的資

料正確無誤。

儲存資料以供本機分析固然重要，但能夠重新叫出示

波器中的檔案也很重要。使用者可遠端連接至示波

器，使用設定檔將示波器設定至已知狀態，接著進行

問題除錯。使用者也可能會重新叫出參照波形，以直

接將波形顯示給正在存取該示波器的同事。使用者還

可能因其他許多原因，需重新叫出教室中的檔案或完

成作業。有了便於操作的全功能遠端介面，使用者可

經由任何網頁瀏覽器執行以上所有操作。

工程師也可以從網頁介面更新韌體。不易實際存取的

遠端示波器也可以透過網頁更新韌體。若使用者有許

多示波器要更新，但不想逐一到現場插入USB隨身碟操

作，也可以利用此一方式輕鬆完成更新。

圖3：您可在此網頁中輸入SCIP命令。網頁中並提供命令編程快速參照（Programming Commands Quick Reference）連結。

圖4：「遠端面板」頁面之提示區範例。

圖5：此為網頁介面以及所有可儲存格式的清單和示波器顯示幕預覽畫面。

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量測技術

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圖6：此視窗顯示目前的韌體版本以及安裝新韌體的檔案輸入資料。

有了是德科技的網頁介面，使用者不需透過多個應用軟體，即可隨時隨地存取示波器。使用者可在單

一地點，透過許多方式控制示波器，除了眾多資訊與控制功能外，還可儲存及重新叫出資料。我們知

道使用者希望能夠提高工作效率，並找到節省公司開支的方法，有了此一功能強大的網頁介面，使用

者可從單一位置存取任何所需資訊，不需要驅車或搭飛機前往遠端現場處理示波器。大專院校也可受

益於設計完善的網頁介面，不論是設定虛擬教室或從任何地方輕鬆更新所有示波器。是德科技示波器

網頁具備諸多實用功能，可因應各種使用者用途，並以前所未見的方式，協助使用者完成工作。

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基於MIPI DigRF的RF收發器之測試挑戰與PXI解決方案

行動產業的晶片組互連，正經歷類似數十年前

PC產業所經歷的標準化過程。匯流排標準透

過減少硬體整合、消除元件間的膠合邏輯，並促進新

一代積體電路（IC）的移轉，協助加速設計過程。

舉例來說，MIPI（行動產業處理器互連）DigRF標

準，是基頻與行動裝置RF晶片間的高速序列介面。

此匯流排支援搭載高傳輸率標準（如：LTE）的行動

系統之高頻寬傳輸，並可啟用控制傳輸與數位化IQ資

料傳輸，減少IC的針腳數量。為了因應包括MIMO以

及載波聚合在內的無線標準演進，此標準亦已更新。

隨 著 從 類 比 移 轉 至 序 列 與 封 包 化 匯 流 排 （

如：DigRF），RFIC測試法也由傳統的類比來源與接

收器，演進至結合可在基頻端傳輸封包化IQ資訊的跨

區域平台。

由於收發器製造商需要在同樣的時間範圍內，測試更

多項目（頻率範圍、標準、頻寬等），本文目的即在

於探討，基於DigRF的收發器之自動化測試挑戰以及

高速解決方案。

如同電腦上多數序列匯流排一樣，我們可將DigRF介

面規格形容為包含了實體、傳輸與應用層通訊協定

的堆疊。此介面規格定義實體信號與匯流排操作、

封包結構與資料編碼方案、流程控制與錯誤處理機

制等等。

由於DigRF係用於傳輸IQ資訊，因此還有另一個通訊

協定堆疊「縮封」在數位介面內，其代行動手持裝置

的無線通訊協定操作。與其他通訊協定一樣，此堆疊

定義始於無線實體層，終止於無線應用層。此堆疊通

常稱為無線通訊協定堆疊。

從RF-IC設計到行動系統整合與生產，設計團隊需要

驗證此「雙重」通訊協定堆疊各層的正常運作。在驗

證、特性檢測與生產期間，大部分的測試皆著重於收

發器的RF效能，而這需要結合RF測試儀器的DigRF測

試解決方法。

以下列舉幾項與DigRF相關的新測試挑戰範例

1.各種不同的通道配置與連結速度

D i g R F 匯 流 排 支 援 各 種 配 置 ， 包 括 以 各 種 速 度

（Gear1 /Gea r2或低功率）運行的單一收發通道

（1Tx/1Rx）至多通道配置（2Tx/4Rx）。測試平台

必須支援這些不同的排列組合與變化。

2.資料編碼機制.

由於同一個匯流排同時攜載時脈與資料，並以每秒十

億位元的速度運作，資料串流中的隨機1’s和0’s通

常會編碼為1s與0’s的DC平衡串流，其中包含足以

由鎖相迴路（PLL）啟用時脈還原的資料轉換。這些

編碼與解碼演算法以即時運作，為該連結的第一要

件。DigRF測試儀器必須模擬同樣的編解碼演算法、

偵測編解碼錯誤，並包含DC偏移誤差與遺失的資料

轉換。

3.降低功率

由於使用者希望能夠延長行動裝置的電池使用時間，

因此省電效益便至關重要。現今的匯流排已經能夠在

多種高速與低功率模式下運作，以達最佳效能與耗電

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量測技術

2014 Autumn

表現。不需要傳送任何資料時，匯流排便會進入休眠模式，

節省電池電力。使用者需要傳輸資料時，匯流排會迅速重新

啟動，傳送時脈還原的同步化模式，並開始在「高載模式」

（Burst Mode）下傳輸資料。測試環境的主要特色之一，在

於正確支援各種電源管理機制與模式轉換，以確認DUT在實

際條件下的運作。在系統整合期間，可能需要確認系統已經

過「微調」以節省電源，並僅於必要時以高速運作。在此情

況下，測試設備的鎖定時間便相當重要，因為其需要從內嵌

時脈擷取資料。測試儀器的鎖定時間必須更快於待測裝置的

時脈時間，否則便無法可靠地量測裝置行為－可能會在匯流

排重新啟動時，遺失第一個資料要件。此效應稱為序列資料

分析儀的「盲」區。

4.追蹤協定狀態機

為執行此一測試，會將DUT連接至模擬對等裝置的有效測

試環境。有效測試設備的本質可分為兩類：「無狀態」

（stateless）以及「完整狀態」（state-full）測試裝置。

「無狀態」測試環境會在完全不瞭解，或局部瞭解待測裝置

協定狀態機的情況下產生激發。我們可將其比喻為在不知道

比賽規則狀態下，按照設定移動西洋棋棋子的機器人。

「完整狀態」測試環境，或稱模擬試驗器（Exerciser），則

完整呈現匯流排協定狀態機，並以近似於實際裝置的方式

運作。為說明模擬試驗器的效益，最典型的範例就是重試順

序測試。大多數數位通訊協定堆疊，皆包含封包重新傳送機

制。若封包在第一次傳送時，未正確收到，則接收器可要求

傳送者重新傳送封包。完整狀態測試平台將會識別重新傳送

封包的要求，並根據重新傳送順序定義運作。若未在測試腳

本中設定，則無狀態裝置將略過要求。

完整狀態測試環境為測試以下匯流排模式之要件：

• 休眠到啟動模式的轉換

• 重試順序

• 要求傳送者減緩或加速傳輸流量的流程控制機制

從類比信號來源與接收器移轉至數位測試

若BB-IC與RF-IC之間的連結為類比IQ連結，則基頻端的測試

環境是以信號來源以及信號分析儀為基礎，並結合向量信號

產生以及向量信號分析軟體。當此連結移轉至DigRF時，測

試環境的硬體要件將由同步收發DUT資料的DigRF模擬試驗器

所取代。數位化IQ波形則會自DigRF封包酬載插入或擷取。

在基頻端與RF端之間，不論使用的連結為何，測試環境皆必

須呈現一致的量測。最理想的測試架構，包括使用整合至類

比與數位分析模擬硬體的相同量測演算法之常見向量信號產

生與向量信號分析軟體。例如，在收發器兩「端」比較EVM

量測值時，使用相同的演算法將可確保差異是因DUT所造

成，而不是因為數學量測差異的關係。

典型基於DIgRF的RFIC測試配置

由於此測試配置必須使用須密集同步化，並以共用應用程式

軟體控制的多部測試儀器，採用模組化PXI配置能夠以小規

格，提供快速且具成本效益的解決方法。

發射路徑測試

為測試發射路徑，便必須在DigRF端提供激發。以Signal Stu-

dio軟體搭配M9252A PXI DigRF主機（Host）轉接器，能夠

以各種蜂巢格式產生信號。這些信號會自動縮封於DigRF封

包中。RF端的分析則採用M9391A PXI VSA向量信號分析

儀。兩個模組可透過緊密同步化的後面板交換觸發器。擷取

的資料則使用89600 VSA軟體，或模組化儀器的X-Series量

測應用程式處理，執行以標準為基礎的品質與調變量測。

接收路徑測試

接收路徑測試必須在RF端提供激發，可使用M9381A PXI向

量信號產生器執行。請注意，發射與接收路徑測試可使用同

一款Signal Studio（信號產生）軟體。

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DigRF端的分析可用相同的M9252A PXI DigRF主機（Host）

轉接器與89600 VSA軟體執行。

所有儀器皆可安裝於僅需要4U空間的單一M9018A PXIe機

箱，如下圖所示。

結語

採用行動手持裝置的高速標準互連，在效能與能源消耗方面

可提供龐大效益。此一趨勢也促進了從晶片啟動到系統整合

測試方法的重大改變。如要對DigRF功能行動系統進行偵錯

與驗證，便需要使用真正的跨域測試方法。

是德科技Genesys 2014提供突破性調變射頻信號分析功能可加快電路和系統設計是德科技（Keysight Technologies Inc.）日前宣佈推出最新版

的Genesys 2014。這套領先業界的EDA射頻模擬和合成軟體

專為電路和系統設計工程師而開發，其價格親切無負擔，可

提供突破性的調變射頻信號分析功能，以及增強的客製濾波

器直接合成功能。

藉由使用Genesys 2014，設計工程師現在可以像模擬傳統類

比射頻信號一樣，輕鬆地模擬常見於國防和消費性無線應用

的數位調變射頻信號。不同於其他僅提供單一EVM、BER或

ACPR數值結果的模擬器，Genesys 2014可同時針對系統中每

一個元件的數位調變參數，提供突破性系統預算分析結果。

如此一來，RF設計工程師可利用前所未有的功能，立即找出

導致數位效能下滑的故障元件。

功能強大的Genesys 2014現在提供準確的數位調變分析功

能。這個新的嵌入式數字資料流程模擬器，方便使用者驗證

最新的WLAN 802.11ac和LTE-3GPP無線標準。Genesys 2014

並提供適當的預設值，不但可加速設定，而且可立即用於軟

體的測試選單中。有了這項貼心功能，RF設計工程師不用再

跟不熟悉的設定及複雜的資料流程參數奮戰，便可根據無線

標準，輕鬆驗證其電路或系統。

臺灣是德科技總經理張志銘表示：「新的Genesys 2014射頻

調變功能的設計宗旨是為射頻設計工程師提供直覺的操作。

藉由模仿工程師慣用的向量信號源和分析儀的操作方式，我

們順利達成了這個目標。Genesys 2014現在可以在背景中自

動處理發射端、接收端及參數的複雜資料流程。」

其他軟體增強功能

Genesys 2014同時改善了強大的直接合成技術，以支援無間

隙的工作空間整合，方便工程師同時交互設計多個客製濾波

器。如此便可更精確地設計所需的雙工器、多工器和陷波濾

波器。接著設計工程師可使用強大的等效網路轉換功能，將

其設計部署於集總（lumped）或分散式印刷電路板中。

Genesys 2014現在還提供業界最完整的X參數*模型，可用於非

線性電路與系統模擬。這項功能確立了Genesys 2014為業界最

經濟實惠、最準確易用之射頻模擬與合成解決方案的地位。

Genesys 2014其他的升級功能包括新的Momentum平面電磁

模擬器和3D佈局檢視器、改良的相位雜訊模擬演算法，以

及100%的MATLAB腳本相容性。

Keygsight NeWs

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使用基於VNA的量測方法簡化HDMI 2.0發射端阻抗量測

HDMI論壇（HDMI Forum）於2013年9月4日發佈

的HDMI 2.0規格，可將每通道（lane）的最大傳

輸速率從3.4Gbit/s提高到6Gbit/s。如此一來，總傳輸

速率最高可達18Gbit/s，並以4:4:4的全彩格式支援4K

影像傳輸。雖然這對消費者而言是一大利多，但卻為

製造商帶來許多量測挑戰。比方說，傳輸速率雖高

出了將近一倍，但仍需支援現有的HDMI纜線，進而

因信號完整度不佳而產生裝置互通性（interoperabil-

ity）問題。

運作中裝置的阻抗失配是導致信號完整度不佳的原因

之一。在高速應用設計中，阻抗匹配極為重要，因此

許多高速數位標準均針對阻抗與回返損耗制定了限制

值。HDMI 2.0對發射端與接收端的差動阻抗要求，詳

述於HF1-9與HF2-4相容性測試規格中。大多數標準

皆要求待測裝置必須可在量測期間持續運作，因為裝

置特性在開機與關機狀態下會有所差異。視裝置設計

而定，不同資料速率的阻抗也會有所不同（參見圖1

）。如欲獲得準確的阻抗數據，您須在實際運作條件

下，針對運作中裝置評估其阻抗值。幸好，現在您可

使用向量網路分析儀（VNA）進行量測，大幅簡化了

此一作業。

Measuring Source Impedance量測發射端阻抗

運作中裝置在開機與運作狀態下之阻抗量測稱為Hot

TDR。Hot TDR量測執行不易，因為發射端信號會導

圖1：這些圖表說明關機（紅線）、以1333Mbps開機（藍線），以及以334Mbps（綠線）開機時的電源阻抗與回返損耗。

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量測技術

2014 Autumn

致量測錯誤。此處主要的量測挑戰在於如何消除發射端輸出

信號效應並執行穩定的量測。

過去我們多半使用TDR示波器來量測Hot TDR。VNA亦適用

於此一用途。然而，就儀器架構而言，使用VNA執行的量測

遠比基於TDR示波器的量測更具優勢。

阻抗匹配之重要性

量測信號完整度時，眼圖是工程師極重視的關鍵指標。阻抗

失配所產生的信號反射是影響眼圖開口（eye opening）的因

素之一。當鏈路中出現一個以上的阻抗失配，便會產生多個

反射，導致信號完整度惡化。發射信號的一部分會因沒有合

適的阻抗匹配，而自接收端反射回來，如圖2所示。若發射

端的阻抗失配，則信號會重新反射回通道，當信號傳至接收

端時，便會導致眼圖閉合。在HDMI 2.0等multi-gigabit高速

系統中，此效應尤為關鍵。因此，發射端與接收端之阻抗匹

配是改善信號完整度以及眼圖開口的要件。

您可透過圖3中眼圖的模擬結果來比對不同終端的狀況。左

邊的眼圖為使用擷取自阻抗失配之實際發射端裝置的回返損

耗運算結果，右邊眼圖則是假設發射端已妥善終端之運算結

果。很明顯地，右邊的眼圖開口較寬，證明發射端之阻抗匹

配可有效放大眼圖開口。

圖2：圖中顯示發射端與接收端間的多重反射。

圖3：左圖為發射端未妥善終端之模擬結果，右圖則為發射端已妥善終端之模擬結果。

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發射端信號對量測之影響

TDR示波器和VNA的運作原理都是藉由對待測裝置（DUT）施加激發信號來量測其響應。為量

測DUT響應，TDR示波器會使用可達該儀器最大頻寬之寬頻接收器（通常為20GHz），而VNA

則使用窄頻接收器（約為10kHz）。

如圖4頻域圖所示，發射端資料信號效應，會因使用TDR示波器或VNA而有重大差異。在頻域

中，資料信號以許多線狀頻譜（或雜波）表示。TDR示波器使用的寬頻接收器可擷取包含雜波

在內的所有信號能量，因此量測結果具備大量雜訊。為了抑制雜訊，您還需要進行大量的平

均運算（約為1000次）。反之，VNA會掃描整個量測的頻率範圍，以取得離散頻率點上的資

料。VNA所使用的窄頻接收器可濾出不必要的發射端雜波，而且在許多情況下，不需要另外執

行平均運作。由此可知，基於VNA的解決方案具有顯著的速度優勢。

當接收器的取樣點與發射端雜波頻率一致時，便無法透過平均運作將源極信號能量降至最低，

進而導致受測阻抗資料出現過量的雜訊與漣波（ripple），而且還會在頻域響應中出現突波

（spike）。在此情況下，便須調整取樣點，以避免產生發射端雜波效應。您只要調整TDR示波

器的TDR重複率即可。由於理想的設定涉及重複率和DUT發射端信號速率的諧波關係，因此每

個DUT的理想重複率設定值皆不相同。必須經過反覆試驗才可確認理想設定值。

圖4：圖中顯示TDR示波器與VNA的Hot TDR量測原理。

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量測技術

2014 Autumn

圖5：ENA Option TDR可自動將發射端雜波效應降至最低。

VNA也有類似的狀況。雖然VNA使用窄頻接收器避開資

料信號，但發射端雜波仍可能在頻率掃描期間與量測點

一致。因此便必須調整量測點，使其避開發射端雜波頻

率。此時只要設定適當的開始與停止頻率以及適當的點

數即可。某些新型VNA，如E5071C ENA Option TDR，

可根據資料速率輸入值，自動設定最佳頻率掃描，將發

射端雜波效應降至最低。這項雜波抑制功能提供便捷的

Hot TDR量測方式。

圖5顯示ENA Option TDR如何將發射端雜波信號效應降

至最低。請注意，啟動Avoid Spurious功能後，左圖中

的發射端雜波效應已降至最低。

結語

在設計HDMI 2.0等高速數位標準時，必須考慮運作中裝

置或Hot TDR之阻抗量測，因為隨著HDMI 2.0的位元速

率增加，您須正確評估運作中裝置的阻抗值，以便深入

了解信號完整度問題。您可以使用TDR示波器進行這類

阻抗量測，不過VNA具備更多元的功能以及雜波抑制等

功能，是執行阻抗量測的理想解決方法，而且比傳統的

TDR示波器具備更多優勢。

如需更多關於ENA Option TDR的資訊，請瀏覽：www.

keysight.com.tw/find/ena-tdr。

作者簡介

Yoji Sekine為是德科技行銷工程師，曾擔任許多要職，例如負責設計各式產品

的研發工程師，參與的專案包括向量網路分析儀、信號源分析儀以及LCR電錶

之設計。Sekine擁有加州大學戴維斯分校的電機工程學士學位（BSEE）。

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利用電子校驗技術（E-Cal）加速TDR量測

測試輸電線路特性時，時域反射計（TDR）是

常用的信號完整度工具，可啟動電壓步階並

量測反射信或發射信號1。反射信號可提供阻抗與距

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2。

TDR與VNA量測之重要考量，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4至10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量測之電

子校驗應用，以協助您加速並簡化高通道數量測。

TDR/TDT校驗之重要性

一般而言，即使不執行使用者校驗，也能夠執行

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

信號緣速度、步階平坦度、通道頻寬以及取樣器頻率

響應。例如，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3量測。

電子校驗可顯著提昇多通道數TDR/TDT量測速率

圖1：電子校驗（E-Cal）模組

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量測技術

2014 Autumn

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3。

TDR/TDT校驗的另一項好處是，校驗後可改變激發信號的有效

信號緣速度。圖3為以信號緣速度範圍量測的一對緊鄰間隔之

不連續性。使用較快信號緣速度之TDR量測，可解析間隔距離

更近的不連續性4。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信號緣速度，如此可確保

裝置的最準確量測。

新式電子TDR校驗

執行TDR校驗的新方法是使用電子校驗，或簡稱E-Cal模組。

電子校驗是向量網路分析儀（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。如此可確保用於執行每一種量測的傳輸標準，皆可

至國家標準與技術研究院（NIST）查詢5。在E-Cal期間會測得

7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模組以外，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。記住，TDR可執行至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。

圖2：校驗前後的TDR步階響應

圖3：測試板上使用不同信號緣速度量測的一對不連續性

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圖4：連接TDR取樣頭的TDR/TDT E-Cal模組

圖5：2埠校驗的機械標準要求

圖6：校驗所需的連接數量與TDR取樣頭數量 圖7：TDR/TDT校驗時間與TDR遠端取樣頭數量

為執行電子校驗，只要將每個TDR取樣頭連接

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8

個連接，如圖5所示。

機械校驗與電子校驗的總連接數／斷開數與

TDR取樣頭數量，係概要說明於圖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。

於校驗期間連接／斷開所需的時間，佔總校驗

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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量測技術

2014 Autumn

多通道裝置量測範例4通道InfInIBanD纜線套件

完成校驗後，便可連接並量測裝置。須量測的信號路徑數

量，隨裝置埠數不同而異。若為2埠裝置，則總共需要4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16次量測，8埠裝置

需要64次量測，而16埠裝置便需要256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/

sec6支援4通道通信量的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，

也需要加以研究。這點很重要，因為通道間的信號串音

（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8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。時域反射信號（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

串音信號（NEXT）以及遠端串音信號（FEXT），則分別於

連接埠3跟4量測。

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歐姆終端。為達10ps的信

號緣速度的時域量測，如圖10所示。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（Ohms），而其他波形單位為mV。NEXT與FEXT的串音

定比─2mV/div，大幅小於TDT入射步階定比（100 mV/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。圖8：TDR、TDT、NEXT與FEXT所需的測試連接

圖9：量測被動式4通道纜線套件之測試裝配

圖10：TDR、NEXT、TDT以及FEXT量測結果

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時域結果也可以S參數顯示於頻域中。可從S參數擷

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，亦顯示向量網路分析儀測得之S參數，兩種量測儀器

所測得之相近結果，如圖所示。

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需要以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（E-Cal）則是校驗多

個TDR取樣頭最有效率的方法。

結語

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（或簡稱E-Cal）的新作法，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。

圖11:使用TDR與VNA測得之插入損耗（SDD21）與回返損耗（SDD11）

圖12：以TDR取樣頭數量為基礎的16埠裝置所需的連接／斷開

作者簡介

John Dorighi：是德科技客服中心應用工程師，專精於高速

電氣與光學量測。過去15年來，John在是德科技/安捷倫客

服中心，協助客戶解決量測問題。John擁有伊利諾州西北

大學工程設計博士學位。

Rob Sleigh：是德科技示波器產品部門產品經理，負責該部

門高速電氣與光學數位通訊分析儀和抖動測試產品之產品

開發。Rob在是德科技／安捷倫的資料，包括5年技術支援

以及10年以上的技術行銷。

參考文獻

1. Time Domain Reflectometry Theory:http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5966-4855E.pdf時域反射計理論：http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5966-4855E.pdf

2. Limitations and Accuracies of Time and Frequency Domain Analysis of Physical Layer Devices: http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5989-2421EN.pdf 實體層裝置之時域與頻域分析限制與準確度：http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5989-2421EN.pdf

3. Improving TDR/TDT using Calibration (1304-5):http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5988-2490EN.pdf 使用校驗改善TDR/TDT（1304-5）：http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5988-2490EN.pdf

4. High Precision TDR (1304-7):http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5988-9826EN.pdf高精準TDR（1304-7）：http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5988-9826EN.pdf

5. Agilent Electronic Calibration Modules: http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5963-3743E.pdf安捷倫電子校驗模組：http://cp.literature.agilent.com/lit-web/pdf/5963-3743E.pdf

6. InfiniBand®is a registered trademark and service mark of the InfiniBand Trade Association InfiniBand為InfiniBand Trade Association之註冊商標與服務標誌

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