數位通訊信號是一種隨機（Random）的變化信號，如果你不使用特殊的示波器，將無法看到傳輸中的數位通訊信號是那一個bit發生錯誤。一般人用以量測數位通訊信號的方法是使用Eye-Pattern（眼狀圖），但只能用來確認信號的品質，並不能找出問題所在。我們先了解一下Eye-Pattern的原理，再來說明Fast Scan的好處，Eye-Pattern其原理如下。
Eye Pattern（眼狀圖）
Eye Pattern（眼狀圖）顧名思義它看起來像一個“眼睛”的圖形。那它是如何得到的呢？(圖一)是Eye Pattern的原理說明圖，藍色大括號所顯示的是數位示波器第一次取樣所顯示的波形畫面，粉紅色大括號則是第二次取樣所顯示的波形畫面，以此類推直到第五個圖（黑色大括號）。Eye Pattern是由各次取樣所得的波形圖片（螢幕上1、2、3、4、5…）重疊組合而成右下角的“總合圖形”。
| 《圖一 Eye Pattern（眼狀圖）的原理說明圖》 |
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既然眼狀圖是所有取樣後波形的總合，如果波形的軌跡有所變化當然都會被儲存在螢光幕上，所以可以利用統計來判斷它的波形在某些區域內的軌跡變化。
| 《圖二 未經濾波器Reference Receiver（RR）處理的STM-4通訊信號》 |
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在(圖二)中我們也使用了一個藍色的統計框框，將框框內jitter的統計分佈顯示在左上角（藍色尖尖向下），它看起來是一個高斯分佈。圖二的數位通訊信號是沒有經過濾波器Reference Receiver（RR）處理的STM-4通訊信號，從圖中可以看出Overshoot很高（紅圈圈內），這種信號在頻域上所佔的頻寬也會較寬，在接收信號時很容易發生誤判的錯誤。
(圖三)是經過Reference Receiver（RR）的信號，雖然頻寬變低（圖三是與STM-4類似的光通信協定OC12的Eye Pattern），但是傳輸沒有Overshoot的問題。
| 《圖三 經濾波器Reference Receiver（RR）處理的STM-4通訊信號》 |
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這種Eye Pattern為了讓工程師在量測時容易判斷通訊信號是否有超過通訊規範的上下限，一般的數位示波器都會內建一些通訊信號規範的上下限圖樣（Pattern）在內部以方便使用者量測，如圖三中加入三個粉紅色框框。如果圖二中信號有太大的Overshoot、不穩定或亂碼，則問題的信號會壓到粉紅色框框。
話說回來這種量測可以知道一長串的通訊信號是否有問題，但是無法知道是那一個bit在何處發生何種狀況。有些高級的數位示波器會有下面的特殊功能，讓人可以很清楚的看到那一個bit在何處發生何種狀況。例如Tektronix TDS 74xxx,TDS8000等數位示波器的Fast Frame（或稱FrameScan）觸發模式。
數位示波器顯示模式
示波器的基本顯示原理在此不再加以敘述，在此講的是更進一步的顯示方式——Fast Frame觸發模式。一般數位示波器在變化Time base（time/division）時，會把螢光幕的信號整個一起變大或縮小。當你要對螢光幕的某部份信號放大做研究時，而又想同時與下一個或更下兩個位於同一位置的信號放大在同一螢光幕上做分析時，你把Time base（time/division）檔位變大，把兩個同位置的信號縮小同時放在螢光幕是做到了，但是信號都變小了看不清楚。另一個方法是使用delay的功能，但是使用delay放大的功能（Trigger after delay）也只能看到觸發點後的一個信號而已。
所以如果要更進一步的對此“某部份放大信號”與後面同位置出現的信號做放大比較的時候一般數位示波器是做不到的。
Fast Frame觸發模式
先說明一般示波器的缺點，(圖四)是把水平軸檔位變大，可以收入很多的信號在螢光幕上的標準例子。圖四顯示收集到一整個圖框（Frame）的數位信號，但是這一串（Frame）的信號會在下一次重覆的出現（圖中右上角顯示是Fast Frame 關掉《OFF》，意思是模仿與一般示波器相同的意思）。基本上是為了比較圖四黃色虛框框內的信號變化，所以才會想看下一個圖框（Frame）的信號如何。要看到下一個圖框的信號就必須再將水平軸檔位變大，才可以收入下一圖框（Frame）的數位信號在螢光幕上。但是把信號縮小（將水平軸檔位變大）在螢光幕上時，信號顯示已經擠成一團，還如何看清楚信號的變化呢?
如果我們啟動圖四的Fast Frame功能，如(圖六)可以將圖四想要看的信號部分同時顯示在螢光幕上。Fast Frame的原理說明如下，在數位示波器取樣時將螢光幕的記憶體（例如500點）切成幾個片段（例如一段為100點，螢光幕因為只有500點，所以只能顯示五段）。我們只顯示上圖四黃色虛框框內的五個Frame信號同位置的變化，那麼我們就可以將信號的某部份一起放大分析在螢光幕做比較。如果第三個Frame有信號變化如紅色的信號，則可以很清楚的在螢光幕上分辨出問題來。
圖六是顯示圖四的2個黃色虛框框內信號的Frame顯示 （圖中右上角顯示是Fast Frame啟動《ON》），每個Frame各100點。我們可以增加Frame的數目 ，如(圖七)是4個Frame的顯示，當然我們也可以增加到數十個螢光幕外的信號也抓進來。
| 《圖六 圖四的兩個黃色虛框框內信號的Frame顯示》 |
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以上圖七是Tektronix TDS600, 700系列的螢光幕顯示，下面(圖八)Tektronix 7000 FastFrame的顯示是彩色的，但是原理相同，圖中只有一個Frame count＝1。
Tektronix TDS7000 FastFrame可以將許多的Frame重疊在一起做波形的比較，如(圖九)是13個Frame的重疊顯示，在圖中可以看出藍色部份的的變化情況。
Frame Scan的應用
Frame可以將許多次取樣的波形同時顯示在螢光幕上，或是將幾個Frame的波形重疊。如果以前面所敘述傳統示波器Trigger after delay的Time base準確度約在10～50ppm之間，這種技術改善了Time base的準確度到0.1ppm，而使得在Fast Scan後面delay後重疊的波形更準確顯示。所以在分析通訊信號的時候就非常的好用，因為通訊信號在示波器上是Random的顯示，如果我們能依照通訊協定的bit數為Frame將信號一一重疊在螢幕上，我們就可以抓住不正確的bit將它提出來分析。
如果有一個Frame的Data如(圖十)，這個Frame是由一個正常儀器產生許多bit所組成的，當然不容易有變形的bit產生。但是如果有一個bit是有問題的就會使信號接收錯誤，以至於儀器當機，我們要如何知道在那裡的bit發生錯誤呢?
Frame Scan是將Frame觸發穩定後，以一個bit一個bit為Subframe（圖十中顯示bit77～92）一一出現在螢光幕上往綠色箭頭的方向移動。(圖十一)是將77.2 bit的Subframe放大的圖形（右上角紅圈圈內顯示Scanning bit＝77.2的位置），圖十一只秀出77.2bit的經過圖形，但是相同的道理下一個78.2bit在下一瞬間會一樣的經過Mask（罩幕），且右上角紅圈圈內顯示Scanning bit＝78.2。你有設定通訊協定的Mask圖樣在螢幕上，一旦有變形的bit出現壓到Mask時，則示波器就將螢光幕停下來顯示出變形bit的位置。
(圖十二)是一個OC192的Frame信號（此處是量測OC192協定，不與前面圖二或圖三的OC12有所相關，只是舉例上好說明而已），我們將說明如何利用Tektronix TDS8000數位示波器來抓出錯誤Bit。
| 《圖十一 將77.2 bit的Subframe放大的圖形》 |
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圖十一是Tektronix TDS8000中的Frame scan設定情況，在Horizontal（Horz）menu中，本來的原廠開機設定All Timebases（右下角紅圈圈上面）是在Second的（水平軸為時間t）位置，我們現在把它設定成Bits（如右邊紅圈圈內）。然後必須設定綠色框框內為何種通訊協定，示波器的Subframe才會一個bit一個bit的往右移動，如果通訊協定錯誤，每次移動的水平大小會不正確。再來是啟動黃色框框內的Enable，使Frame Scan啟動。
另一個設定是(圖十三)的取樣（Acq）設定，設定出在何種狀況下螢光幕要停止。必須設定圖十三中的紅色大方框內的Stop After的狀況，圖中的設定意思是說“再有一個取樣Waveform壓到Mask時，螢光幕立即停止”，可以看出圖十三是一個標準的Eye Pattern（眼狀圖）。在圖十三中的Mask有三個，上面下面各一個紫色長方形的方塊，中間一個六角形的方塊。
將示波器以兩個Zoom畫面同時呈現Frame Scan的動態變化情形（下半部）與Eye Pattern（上半部）的圖得到圖十三。(圖十四)中下半部的Frame Scan呈現淡藍色bit是很正常的方形Pulse，所以不會壓到Mask，同時在Eye Pattern上看到的眼睛是很開的，沒有被任何波形壓到。但是如果有一個如同手劃紅色線條不正常的Pulse（bit）在Frame Scan（下半部）出現時，上半部的Eye Pattern也會出現相同的信號，這樣的話，信號會壓到第二個Mask（中間六角形），此時TDS8000將有問題的bit位置顯示在右上角的綠色圈圈內SCANNING bit。（例如圖中是顯示Scanning Bit 64.2）。（這種有問題的情況是不容易由一般的儀器產生錯誤bit的，所以才使用手畫的圖形來顯示錯誤的bit）
結論
通訊信號的變化愈來愈快，使用的量測技術也日新月異，除了必須對一些通訊信號的原理與協定要了解外，還必須對示波器的使用非常的了解才能得到正確的量測結果，進而完成設計與除錯。
（作者任職於太克科技）
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