数位通讯信号是一种随机（Random）的变化信号，如果你不使用特殊的示波器，将无法看到传输中的数位通讯信号是那一个bit发生错误。一般人用以量测数位通讯信号的方法是使用Eye-Pattern（眼状图），但只能用来确认信号的品质，并不能找出问题所在。我们先了解一下Eye-Pattern的原理，再来说明Fast Scan的好处，Eye-Pattern其原理如下。
Eye Pattern（眼状图）
Eye Pattern（眼状图）顾名思义它看起来像一个“眼睛”的图形。那它是如何得到的呢？ (图一)是Eye Pattern的原理说明图，蓝色大括号所显示的是数位示波器第一次取样所显示的波形画面，粉红色大括号则是第二次取样所显示的波形画面，以此类推直到第五个图（黑色大括号）。 Eye Pattern是由各次取样所得的波形图片（萤幕上1、2、3、4、5…）重叠组合而成右下角的“总合图形”。
| 《图一 Eye Pattern（眼状图）的原理说明图》 |
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既然眼状图是所有取样后波形的总合，如果波形的轨迹有所变化当然都会被储存在萤光幕上，所以可以利用统计来判断它的波形在某些区域内的轨迹变化。
| 《图二 未经滤波器Reference Receiver（RR）处理的STM-4通讯信号》 |
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在(图二)中我们也使用了一个蓝色的统计框框，将框框内jitter的统计分布显示在左上角（蓝色尖尖向下），它看起来是一个高斯分布。图二的数位通讯信号是没有经过滤波器Reference Receiver（RR）处理的STM-4通讯信号，从图中可以看出Overshoot很高（红圈圈内），这种信号在频域上所占的频宽也会较宽，在接收信号时很容易发生误判的错误。
(图三)是经过Reference Receiver（RR）的信号，虽然频宽变低（图三是与STM-4类似的光通信协定OC12的Eye Pattern），但是传输没有Overshoot的问题。
| 《图三 经滤波器Reference Receiver（RR）处理的STM-4通讯信号》 |
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这种Eye Pattern为了让工程师在量测时容易判断通讯信号是否有超过通讯规范的上下限，一般的数位示波器都会内建一些通讯信号规范的上下限图样（Pattern）在内部以方便使用者量测，如图三中加入三个粉红色框框。如果图二中信号有太大的Overshoot、不稳定或乱码，则问题的信号会压到粉红色框框。
话说回来这种量测可以知道一长串的通讯信号是否有问题，但是无法知道是那一个bit在何处发生何种状况。有些高级的数位示波器会有下面的特殊功能，让人可以很清楚的看到那一个bit在何处发生何种状况。例如Tektronix TDS 74xxx,TDS8000等数位示波器的Fast Frame（或称FrameScan）触发模式。
数位示波器显示模式
示波器的基本显示原理在此不再加以叙述，在此讲的是更进一步的显示方式——Fast Frame触发模式。一般数位示波器在变化Time base（time/division）时，会把萤光幕的信号整个一起变大或缩小。当你要对萤光幕的某部份信号放大做研究时，而又想同时与下一个或更下两个位于同一位置的信号放大在同一萤光幕上做分析时，你把Time base（ time/division）档位变大，把两个同位置的信号缩小同时放在萤光幕是做到了，但是信号都变小了看不清楚。另一个方法是使用delay的功能，但是使用delay放大的功能（Trigger after delay）也只能看到触发点后的一个信号而已。
所以如果要更进一步的对此“某部分放大信号”与后面同位置出现的信号做放大比较的时候一般数位示波器是做不到的。
Fast Frame触发模式
先说明一般示波器的缺点，(图四)是把水平轴档位变大，可以收入很多的信号在萤光幕上的标准例子。图四显示收集到一整个图框（Frame）的数位信号，但是这一串（Frame）的信号会在下一次重覆的出现（图中右上角显示是Fast Frame 关掉《OFF》，意思是模仿与一般示波器相同的意思）。基本上是为了比较图四黄色虚框框内的信号变化，所以才会想看下一个图框（Frame）的信号如何。要看到下一个图框的信号就必须再将水平轴档位变大，才可以收入下一图框（Frame）的数位信号在萤光幕上。但是把信号缩小（将水平轴档位变大）在萤光幕上时，信号显示已经挤成一团，还如何看清楚信号的变化呢?
如果我们启动图四的Fast Frame功能，如(图六)可以将图四想要看的信号部分同时显示在萤光幕上。 Fast Frame的原理说明如下，在数位示波器取样时将萤光幕的记忆体（例如500点）切成几个片段（例如一段为100点，萤光幕因为只有500点，所以只能显示五段）。我们只显示上图四黄色虚框框内的五个Frame信号同位置的变化，那么我们就可以将信号的某部份一起放大分析在萤光幕做比较。如果第三个Frame有信号变化如红色的信号，则可以很清楚的在萤光幕上分辨出问题来。
图六是显示图四的2个黄色虚框框内信号的Frame显示 （图中右上角显示是Fast Frame启动《ON》），每个Frame各100点。我们可以增加Frame的数目 ，如(图七)是4个Frame的显示，当然我们也可以增加到数十个萤光幕外的信号也抓进来。
| 《图六 图四的两个黄色虚框框内信号的Frame显示》 |
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以上图七是Tektronix TDS600, 700系列的萤光幕显示，下面(图八)Tektronix 7000 FastFrame的显示是彩色的，但是原理相同，图中只有一个Frame count＝1。
Tektronix TDS7000 FastFrame可以将许多的Frame重叠在一起做波形的比较，如(图九)是13个Frame的重叠显示，在图中可以看出蓝色部份的的变化情况。
Frame Scan的应用
Frame可以将许多次取样的波形同时显示在萤光幕上，或是将几个Frame的波形重叠。如果以前面所叙述传统示波器Trigger after delay的Time base准确度约在10～50ppm之间，这种技术改善了Time base的准确度到0.1ppm，而使得在Fast Scan后面delay后重叠的波形更准确显示。所以在分析通讯信号的时候就非常的好用，因为通讯信号在示波器上是Random的显示，如果我们能依照通讯协定的bit数为Frame将信号一一重叠在萤幕上，我们就可以抓住不正确的bit将它提出来分析。
如果有一个Frame的Data如(图十)，这个Frame是由一个正常仪器产生许多bit所组成的，当然不容易有变形的bit产生。但是如果有一个bit是有问题的就会使信号接收错误，以至于仪器当机，我们要如何知道在那里的bit发生错误呢?
Frame Scan是将Frame触发稳定后，以一个bit一个bit为Subframe（图十中显示bit77～92）一一出现在萤光幕上往绿色箭头的方向移动。 (图十一)是将77.2 bit的Subframe放大的图形（右上角红圈圈内显示Scanning bit＝77.2的位置），图十一只秀出77.2bit的经过图形，但是相同的道理下一个78.2bit在下一瞬间会一样的经过Mask（罩幕），且右上角红圈圈内显示Scanning bit＝78.2。你有设定通讯协定的Mask图样在萤幕上，一旦有变形的bit出现压到Mask时，则示波器就将萤光幕停下来显示出变形bit的位置。
(图十二)是一个OC192的Frame信号（此处是量测OC192协定，不与前面图二或图三的OC12有所相关，只是举例上好说明而已），我们将说明如何利用Tektronix TDS8000数位示波器来抓出错误Bit。
| 《图十一 将77.2 bit的Subframe放大的图形》 |
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图十一是Tektronix TDS8000中的Frame scan设定情况，在Horizontal（Horz）menu中，本来的原厂开机设定All Timebases（右下角红圈圈上面）是在Second的（水平轴为时间t）位置，我们现在把它设定成Bits（如右边红圈圈内）。然后必须设定绿色框框内为何种通讯协定，示波器的Subframe才会一个bit一个bit的往右移动，如果通讯协定错误，每次移动的水平大小会不正确。再来是启动黄色框框内的Enable，使Frame Scan启动。
另一个设定是(图十三)的取样（Acq）设定，设定出在何种状况下萤光幕要停止。必须设定图十三中的红色大方框内的Stop After的状况，图中的设定意思是说“再有一个取样Waveform压到Mask时，萤光幕立即停止”，可以看出图十三是一个标准的Eye Pattern（眼状图）。在图十三中的Mask有三个，上面下面各一个紫色长方形的方块，中间一个六角形的方块。
将示波器以两个Zoom画面同时呈现Frame Scan的动态变化情形（下半部）与Eye Pattern（上半部）的图得到图十三。 (图十四)中下半部的Frame Scan呈现淡蓝色bit是很正常的方形Pulse，所以不会压到Mask，同时在Eye Pattern上看到的眼睛是很开的，没有被任何波形压到。但是如果有一个如同手划红色线条不正常的Pulse（bit）在Frame Scan（下半部）出现时，上半部的Eye Pattern也会出现相同的信号，这样的话，信号会压到第二个Mask（中间六角形），此时TDS8000将有问题的bit位置显示在右上角的绿色圈圈内SCANNING bit。 （例如图中是显示Scanning Bit 64.2）。 （这种有问题的情况是不容易由一般的仪器产生错误bit的，所以才使用手画的图形来显示错误的bit）
结论
通讯信号的变化愈来愈快，使用的量测技术也日新月异，除了必须对一些通讯信号的原理与协定要了解外，还必须对示波器的使用非常的了解才能得到正确的量测结果，进而完成设计与除错。
（作者任职于太克科技）
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