輸入埠性質(Input Port Characterization)

輸入埠的測量，通常需有兩種量測方式，一是輸入埠阻抗特性的測量；一是解碼功能的檢查(即當輸入訊號因電纜特性呈現衰減或雜訊干擾時，所做的量測)。後者可應用在對已知的訊號上做解碼功能確認，而且量測的輸出可與輸入訊號做比較，並檢查訊號衰減現象。如果待測物的輸出是可被配置，且傳送的解碼資料是不能修改的，那麼虛的隨機序列可被當成是檢查來源，連續輸出以連續輸入當背景，檢查資料是否有錯誤發生。

不論輸出信號是類比或者是數位，若輸出受一些過程管制，導致輸出不是位元對應輸出，這樣輸出數據，就不能簡單地被證實與輸入完全相同，在這個情形下，可以使用替代的測量方式，如使用高頻正弦波當作輸入訊號，然後以THD+N來測試，用來確定接收器接收資料位置失敗與否，例如正弦訊號有可能會消失不見，或是解碼錯誤變成失真或雜音現象。所以輸入信號經階式濾波器(notch filter)後的THD＋N值，可當作接收器的一個便利的故障指示器。以下我們把輸入埠特性分成下列幾個部分，進一步討論。

輸入埠阻抗

對AES3規格來說，輸入埠必須支援100 kHz以上，最高到128倍的取樣速率，阻抗為110( 22(。這結果是可以準確地量測出來，不過如上期所介紹，對輸入埠而言，量測方式與量測輸出埠阻抗方式一樣，是藉由示波器來做為評估的方式。雙通道的示波器是用在差動模式，即單通道彼此間相減；為了避免負載效應，所以需使用高阻抗探針。

對於評估阻抗的技術，平衡與非平衡的格式相類似；但在平衡式規格裏，多一個在兩訊號線間差動模式的阻抗。參考的輸出埠需有個可靠的阻抗，用在測試時驅動輸入埠。示波器可用來觀察在輸入埠電纜上的電壓波形，然後輸入埠的電阻器被用正確阻抗所取代時，與在電纜上所觀察到的波形相比較。

如(圖一)所示，示波器裏的信號軌跡，信號來源由System Two Cascade提供，兩個示波器通道間的信號軌跡有些微差異，其示波器的刻度分別為1 V/div與100 ns/div。110( 1%電阻器的參考信號軌跡以灰色表示，而測量信號軌跡以黑色表示，這相當接近參考值。

《圖一　評估AES3 接受器輸入阻抗》

由於方波轉態的斜率，是由許多高頻成分所組成的，在最高頻率的要素中，如果阻抗比參考值稍微高些時，就會產生過衝，例如在轉態時會產生過衝現象；另外，少數的特別下垂是指在低頻率時，輸入阻抗可能比參考值稍微低些所產生。最高電壓的差異起因是由於過衝，差不多0.2 V，或是在那點上訊號電壓的8%，而且持續大約30 ns。下垂差異是少於0.1 V，超過前導訊號的第一脈衝480 ns (3 UI)。比起擁有20%容忍度的AES3輸入阻抗規格來說，過衝與下垂的影響並不大。這兩者的影響可能會是在測試輸入埠時，變壓器頻寬限制的結果。

相同的測試，在其他裝置的輸入埠刺激介面波形，並未傳遞嵌入信息，即沒有聲音、沒有使用者資料或是通道狀態位元，所以整個波形是穩定的。時間軸已經被延伸到左邊包含了3位元( U, C and P )在前導訊號(preamble)之前，和兩個前導訊號內3-UI脈衝。

值得注意的是振幅下垂問題，它在3 UI 的前導訊號脈衝中，出現超過的0.4 V的振幅下垂，這暗示著在低頻率時也有阻抗匹配的問題。由於振幅下垂，它改變轉換時的起始電壓，而這轉換的振幅也縮小約0.25 V或是5%。轉換後，曲線形狀並未表現出重要的過衝。所以訊號在較高頻率時，我們並沒有看到像在圖一中訊號那樣多的阻抗轉變。

總之，阻抗並不需要很精確的匹配，不過它必須符合AES3在20%容忍度以內的要求。如果對阻抗有任何懷疑時，可使用一阻抗分析儀來做更精確的測量。

輸入最大振幅

輸入接收器可能由於輸入電壓振幅，高過最大輸入振幅，而失去作用。這個最大限度的振幅可藉由試驗和錯誤來確定。訊號能指定的最大振幅與確認工作正常，可以用來表示與性能規格的一致性。

最低輸入訊號振幅和眼圖

最低輸入訊號振幅通常會利用眼圖( eye diagram )來做定義，從眼圖中可以定義最低限度的高度，和已被正確解碼的訊號中，脈衝高度的最低電壓所持續時間。

(圖二)為 AES3-1992 、IEC60958-3:1999及IEC60958-4:1999所定義的眼圖。這盒子內眼圖為200 mV 乘以0.5 UI，定義為接收器可被正確地解碼的最低限度訊號。

《圖二 AES3-1992 、IEC60958-3:1999及IEC60958-4:1999定義的眼圖》

實際應用上，不同接收器設計使用不同解碼技術，但是像訊號眼圖尺寸變小，可能會讓許多接收器失敗。在特定的接收器下，有些訊號可能比其他的訊號更難去解碼，更不用說那些還顯示出更小的「眼睛」。即使如此，接收器必須在至少小到如AES/ IEC最小限度的眼圖尺寸下，仍可以正常地解碼。接收器性能可經由眼圖和接收器介面訊號損毀或是衰減來評估。下列為評估導致訊號衰減的方法：

上升及下降時間的延長

在System Two Cascade可產生衰減數位介面訊號，並可以控制介面信號的上升/下降時間及振幅。只要設定振幅在740 mV，及上升/下降時間為200ns，48 kHz取樣速率的AES3訊號。它可以衰減訊號到眼圖最低限制的訊號。可利用system two cascade背部面板的Master Clock Output來當示波器觸發，來調整與數據轉換同步。眼圖可直接用system two cascade測量，如(圖三)所示。

《圖三　System two cascade的眼圖》

訊號中加入雜訊和抖動

評估導致訊號衰減的方法也可能藉由訊號中加入雜訊及抖動，來修改眼睛的高度及寬度，在system two cascade 中的DIO面板上已經可以做到，使訊號與不同程度抖動和雜訊相結合來進行試驗，讓我們能更簡單地研究接收器性能。

使用電纜模擬

另一種方法是衰減介面訊號，例如介在訊號來源與接收器間，長電纜線的影響。當然你也能一直使用長電纜線，但是較便宜且不是太龐大的方法，是使用接近與長電纜相類似的電路，如在DIO面板中，system two cascade的電纜模擬功能。

雖然System two cascade電纜模擬所呈現出的訊號，不能符合眼圖規格標準。儘管如此，很多接收器仍可對它解碼，所以標準的眼圖為一個有用的基準點，可以用來判定接收器的好壞。一些AES3接收器可以選擇等化器來補償非常長的電纜線，而電纜模擬可以幫助評估這些接收器。

這些模擬方法的缺點是它只能給予通過或失敗的結果，介於錯誤的臨界及總體失敗間的差異是相當小，所以這錯誤比例並不代表在接收器測量失敗時的幅度。

共模抑制

對平衡式AES3格式來說，共模抑制規格，即使頻率從DC到20 kHz，直到7 V峰值電壓的共模訊號，接收器仍然要維持它的功能性。測試這規格時，共模訊號可使用中間分接頭的變壓器，加強在介面訊號產生器的輸出。一些數位音頻測試設備，都有共模元件，包含System Two cascade。

這規格對輸入埠的阻抗平衡並不敏銳，任何非平衡會產生共模電流，採用一個模式轉換機制，藉以感應共模訊號來產生差動電壓。針對AES3性能方面，並沒有直接的規格來說明，只是變壓器的使用(像AES3中提到那樣)，要確認它不是個爭議；不過在沒有變壓器的情況下，這串音的影響可能變得很重要，特別是在相同訊號束中，信號的相互干擾與長電纜的連接點，都是值得注意的地方。

接收器的抖動容忍度

數位音頻介面的輸入埠，即使是抖動存在的時候，也可以正確地把訊號解碼。抖動容忍度是指在接收器失靈前，有多少抖動存在的一種測量。

在高抖動頻率下，抖動的容忍值是固定的，但是低於特定的頻率，容忍值會增加。增加到接近這特定頻率-抖動容忍轉角頻率，這抖動容忍度有可能會有最低限度。若想進一步瞭解，可參閱AES Preprint 3705。

對於接收器抖動容忍度規格，在專業性AES3及消費性IEC60958-3的應用上會有所不同； 專業性規格要求抖動容忍轉角頻率在8 kHz左右或是以上。專業性樣板顯示在(圖四)的頻率8 kHz以上，有0.25 UI峰對峰容忍值。在8 kHz以下有個6 dB per octave的斜率，在200 Hz時，容忍值會上升到10 UI峰對峰值。消費性規格被記載可允許較低成本時脈回復系統，所以相對於專業性規格來說，消費性規格是較為鬆懈的，規格如(圖五)所示。

《圖四 專業性接收器抖動容忍度規格》

《圖五 消費性接收器抖動容忍度規格》

抖動容忍轉角頻率被低於200 Hz左右，這允許使用單階段的時脈回復系統(one stage clock recovery system)，這可以使得在200 Hz以上的抖動減少。這是相當有幫助的，尤其在D/A 轉換器的取樣時脈上，邊頻帶的抖動值比200 Hz高出許多時，可能會增強到可以聽見的程度。

在這兩個樣板中，最高抖動容忍限度是設定在10 UI，這主要是簡化測試訊號。在接收器內，抖動容忍值會持續增加。消費性樣板在400 kHz，也有個難以理解的步階。在這頻率以上，容忍的程度要求稍微減少，但是除此之外，這樣板扁平的高頻率部分，是與專業性形式相同。所以任何接收器只要符合專業性的抖動容忍度，就能符合消費性抖動容忍度的規格。

測量接收器抖動容忍度

測試輸入埠的抖動容忍度，這與其他測試是相似的。當錯誤開始發生在輸入埠接收器時，在DUT內，將會發現一個訊號，會有某種程度的監控。在此同時，不同頻率的正弦曲線抖動，都會出現在輸入埠上。當測試頻率的抖動程度一直增加，直到錯誤被察覺時，在發生錯誤前的最高頻率，我們把他稱為頻率抖動的容忍度。

量測規格的兼容性

證明規格的兼容性，是利用樣板和接收器在正常工作時，所使用抖動程度與頻率來做判斷。System Two Cascade可附帶樣板數據檔案，到Jitter Generation: EQ Sine型式內的抖動產生器，自動地測試抖動容忍度樣板曲線。當在DIO面板選擇抖動振幅1 UI，而且選擇抖動類型為EQ Sine，這時樣板EQ曲線就能提供正確的振幅。在接收器接收錯誤開始發生時，去確認監測正弦波形的失真情形。(圖六)的軌跡是從上述測試中所得的結果。

輸入埠的解碼失敗是決定在DUT的輸出(返回)訊號，對著左手邊刻度標繪藍色的THD+N讀數 。我們利用專業性DAT錄音機，在這測試下的裝置，是有個正常97.5 dB THD+N讀值(量測在 "Input monitor"形式中的digital -to- digital值)。由於接收器無法鎖定這訊號，所以抖動頻率從160 Hz到3.6 kHz，THD+N數據就偏離了這刻度。(在表示THD+N量測的幅度圖形中，這橫過圖表上方重覆的 "T"字型符號，由於讀數不穩定，所以暫時消失)。

《圖六 THD+N相對於抖動圖》

另外兩個曲線：標準抖動曲線，以黑色表示； 與從DUT輸出埠的返回訊號，量測其抖動程度曲線，以灰色線表示。這刻度是以UI表示，但是單位是使用峰值來表示，所以這抖動數值是顯示樣板數值的一半。(這抖動量測在3.4 UI以上是飽和值，而在這圖形中也同時說明了DUT還沒鎖定這訊號)。

訊號特性(Signal Characterization)

有時候去量測一個訊號會要求在 " in situ" ，這有可能是診斷系統問題中的一部份；比如說，測量是否符合規格時，裝置偶而會發生數據錯誤的情形。有很多特性量測的方法，在上期量測輸出埠量測中已被提到，以下是複習獨立量測訊號規格：

訊號振幅

峰值振幅有著可簡單量測的特性，但通常對於訊號品質，卻不能直接表示出來。如果峰值訊號振幅，比起因電纜損失所產生的特定振幅，還要低出許多時，它很有可能會因那些損失的從屬頻率性質，產生脈衝失真，進而造成更重要的eye opening縮小。無論如何，eye opening的尺寸估計值是需要做，這可用來與眼圖連同輸入埠最小的輸入訊號振幅做比較。

訊號界面抖動

輸出埠本質抖動的量測方法，可應用在介面訊號任何點上的抖動量測。抖動頻譜也可用來尋找任何特定的問題(如上期輸出埠量測中所討論的本質抖動)。如果有個大的抖動峰值，這或許是相當於在早先的系統中，PLL阻尼不足所造成的。另外，也有可能使用特殊的測試訊號，來調整已檢測過的界面訊號。

訊號對稱與DC偏移

對數位音頻界面訊號來說，不應該有任何DC成份存在，這可使用高阻抗的電壓表來測量。如果界面訊號有AC的成份存在，來干擾這電壓表的話，可先使用低通濾波器；對於平衡式AES3界面來說，他允許介面的一支腳變成開回路。這是因為訊號返回可完全通過其他路徑，例如返回電流經由電容到電纜屏蔽。

顯然地，在一些情況下，這種缺失狀況可以改善訊號。電容耦合繞過開迴路時，耦合效果在高頻率成分會比低頻率成分的效果好。但由於電纜線的損耗，通常是在訊號較高頻率的成份，所以考慮衰減時，會有某種程度上的等化。

訊號反射

使用示波器去觀察訊號的反射信號；在互連電纜及連接器中，由於在傳輸線類型，電阻會有間斷不連續的現象，進而產生這些反射信號。如果間斷發生在以下情況：

‧終端不正確，或不適合。

‧有電纜線殘端。這有可能會發生在錄音室的轉彎地方。

‧使用平行雙輸入的BNC T型接頭。

‧電纜帶有不正確的阻抗。這很容易就會意外地使用50(同軸電纜來替代75(。一些雙絞式電纜型式，在與平衡的界面時，可能會有嚴重的不匹配情況產生。在特定的star-quad電纜有著非常低的傳輸線阻抗（不要與電阻混淆），而且對於AES3連接來說，如果與簡單的雙絞式電纜相結合，將會造成不好的反射情形。

若反射訊號有著與非反射訊號相同的極性，則它直接加到振幅。這是因為比起電纜阻抗，電纜被終端在較高的阻抗。如果電纜線間斷使阻抗減少，那麼這反射將與極性相反，而且將從振幅中減去。在這些情形中，間斷並不足夠造成眼高會嚴重地被降低，所以它應該不會影響到訊號的解碼。

結論

在迅速崛起的IA時代中，數位音頻傳輸介面已經是一個被大家公認的標準，在目前IA設備中，數位音頻傳輸介面是不可獲缺的，舉凡在DVD、VCD、CD、音效卡、甚至合成數位視訊，其內部資料傳送或是輸出數位訊號規格，幾乎都必須符合IEC60958或AES3規範，所以在數位音頻訊號領域中瞭解IEC60958以及AES3規格及測試方法是多媒體工程師應具備的工具之一。