输入埠性质(Input Port Characterization)

输入埠的测量，通常需有两种量测方式，一是输入埠阻抗特性的测量；一是解码功能的检查(即当输入讯号因电缆特性呈现衰减或杂讯干扰时，所做的量测)。后者可应用在对已知的讯号上做解码功能确认，而且量测的输出可与输入讯号做比较，并检查讯号衰减现象。如果待测物的输出是可被配置，且传送的解码资料是不能修改的，那么虚的随机序列可被当成是检查来源，连续输出以连续输入当背景，检查资料是否有错误发生。

不论输出信号是类比或者是数位，若输出受一些过程管制，导致输出不是位元对应输出，这样输出数据，就不能简单地被证实与输入完全相同，在这个情形下，可以使用替代的测量方式，如使用高频正弦波当作输入讯号，然后以THD+N来测试，用来确定接收器接收资料位置失败与否，例如正弦讯号有可能会消失不见，或是解码错误变成失真或杂音现象。所以输入信号经阶式滤波器(notch filter)后的THD＋N值，可当作接收器的一个便利的故障指示器。以下我们把输入埠特性分成下列几个部分，进一步讨论。

输入埠阻抗

对AES3规格来说，输入埠必须支援100 kHz以上，最高到128倍的取样速率，阻抗为110( 22(。这结果是可以准确地量测出来，不过如上期所介绍，对输入埠而言，量测方式与量测输出埠阻抗方式一样，是藉由示波器来做为评估的方式。双通道的示波器是用在差动模式，即单通道彼此间相减；为了避免负载效应，所以需使用高阻抗探针。

对于评估阻抗的技术，平衡与非平衡的格式相类似；但在平衡式规格里，多一个在两讯号线间差动模式的阻抗。参考的输出埠需有个可靠的阻抗，用在测试时驱动输入埠。示波器可用来观察在输入埠电缆上的电压波形，然后输入埠的电阻器被用正确阻抗所取代时，与在电缆上所观察到的波形相比较。

如(图一)所示，示波器里的信号轨迹，信号来源由System Two Cascade提供，两个示波器通道间的信号轨迹有些微差异，其示波器的刻度分别为1 V/div与100 ns/div。 110( 1%电阻器的参考信号轨迹以灰色表示，而测量信号轨迹以黑色表示，这相当接近参考值。

《图一 评估AES3 接受器输入阻抗》

由于方波转态的斜率，是由许多高频成分所组成的，在最高频率的要素中，如果阻抗比参考值稍微高些时，就会产生过冲，例如在转态时会产生过冲现象；另外，少数的特别下垂是指在低频率时，输入阻抗可能比参考值稍微低些所产生。最高电压的差异起因是由于过冲，差不多0.2 V，或是在那点上讯号电压的8%，而且持续大约30 ns。下垂差异是少于0.1 V，超过前导讯号的第一脉冲480 ns (3 UI)。比起拥有20%容忍度的AES3输入阻抗规格来说，过冲与下垂的影响并不大。这两者的影响可能会是在测试输入埠时，变压器频宽限制的结果。

相同的测试，在其他装置的输入埠刺激介面波形，并未传递嵌入信息，即没有声音、没有使用者资料或是通道状态位元，所以整个波形是稳定的。时间轴已经被延伸到左边包含了3位元( U, C and P )在前导讯号(preamble)之前，和两个前导讯号内3-UI脉冲。

值得注意的是振幅下垂问题，它在3 UI 的前导讯号脉冲中，出现超过的0.4 V的振幅下垂，这暗示着在低频率时也有阻抗匹配的问题。由于振幅下垂，它改变转换时的起始电压，而这转换的振幅也缩小约0.25 V或是5%。转换后，曲线形状并未表现出重要的过冲。所以讯号在较高频率时，我们并没有看到像在图一中讯号那样多的阻抗转变。

总之，阻抗并不需要很精确的匹配，不过它必须符合AES3在20%容忍度以内的要求。如果对阻抗有任何怀疑时，可使用一阻抗分析仪来做更精确的测量。

输入最大振幅

输入接收器可能由于输入电压振幅，高过最大输入振幅，而失去作用。这个最大限度的振幅可藉由试验和错误来确定。讯号能指定的最大振幅与确认工作正常，可以用来表示与性能规格的一致性。

最低输入讯号振幅和眼图

最低输入讯号振幅通常会利用眼图( eye diagram )来做定义，从眼图中可以定义最低限度的高度，和已被正确解码的讯号中，脉冲高度的最低电压所持续时间。

(图二)为 AES3-1992 、IEC 60958-3:1999及IEC60958-4:1999所定义的眼图。这盒子内眼图为200 mV 乘以0.5 UI,定义为接收器可被正确地解码的最低限度讯号。

《图二 AES3-1992 、IEC60958-3:1999及IEC60958-4:1999定义的眼图》

实际应用上，不同接收器设计使用不同解码技术，但是像讯号眼图尺寸变小，可能会让许多接收器失败。在特定的接收器下，有些讯号可能比其他的讯号更难去解码，更不用说那些还显示出更小的「眼睛」。即使如此，接收器必须在至少小到如AES/ IEC最小限度的眼图尺寸下，仍可以正常地解码。接收器性能可经由眼图和接收器介面讯号损毁或是衰减来评估。下列为评估导致讯号衰减的方法：

上升及下降时间的延长

在System Two Cascade可产生衰减数位介面讯号，并可以控制介面信号的上升/下降时间及振幅。只要设定振幅在740 mV，及上升/下降时间为200ns，48 kHz取样速率的AES3讯号。它可以衰减讯号到眼图最低限制的讯号。可利用system two cascade背部面板的Master Clock Output来当示波器触发，来调整与数据转换同步。眼图可直接用system two cascade测量，如(图三)所示。

《图三 System two cascade的眼图》

讯号中加入杂讯和抖动

评估导致讯号衰减的方法也可能藉由讯号中加入杂讯及抖动，来修改眼睛的高度及宽度，在system two cascade 中的DIO面板上已经可以做到，使讯号与不同程度抖动和杂讯相结合来进行试验，让我们能更简单地研究接收器性能。

使用电缆模拟

另一种方法是衰减介面讯号，例如介在讯号来源与接收器间，长电缆线的影响。当然你也能一直使用长电缆线，但是较便宜且不是太庞大的方法，是使用接近与长电缆相类似的电路，如在DIO面板中，system two cascade的电缆模拟功能。

虽然System two cascade电缆模拟所呈现出的讯号，不能符合眼图规格标准。尽管如此，很多接收器仍可对它解码，所以标准的眼图为一个有用的基准点，可以用来判定接收器的好坏。一些AES3接收器可以选择等化器来补偿非常长的电缆线，而电缆模拟可以帮助评估这些接收器。

这些模拟​​方法的缺点是它只能给予通过或失败的结果，介于错误的临界及总体失败间的差异是相当小，所以这错误比例并不代表在接收器测量失败时的幅度。

共模抑制

对平衡式AES3格式来说，共模抑制规格，即使频率从DC到20 kHz，直到7 V峰值电压的共模讯号，接收器仍然要维持它的功能性。测试这规格时，共模讯号可使用中间分接头的变压器，加强在介面讯号产生器的输出。一些数位音频测试设备，都有共模元件，包含System Two cascade。

这规格对输入埠的阻抗平衡并不敏锐，任何非平衡会产生共模电流，采用一个模式转换机制，借以感应共模讯号来产生差动电压。针对AES3性能方面，并没有直接的规格来说明，只是变压器的使用(像AES3中提到那样)，要确认它不是个争议；不过在没有变压器的情况下，这串音的影响可能变得很重要，特别是在相同讯号束中，信号的相互干扰与长电缆的连接点，都是值得注意的地方。

接收器的抖动容忍度

数位音频介面的输出埠,即使是抖动存在的时候,也可以正确地把讯号解码。抖动容忍度是指在接收器失灵前,有多少抖动存在的一种测量。

在高抖动频率下，抖动的容忍值是固定的，但是低于特定的频率，容忍值会增加。增加到接近这特定频率-抖动容忍转角频率，这抖动容忍度有可能会有最低限度。若想进一步了解，可参阅AES Preprint 3705。

对于接收器抖动容忍度规格，在专业性AES3及消费性IEC60958-3的应用上会有所不同； 专业性规格要求抖动容忍转角频率在8 kHz左右或是以上。专业性样板显示在(图四)的频率8 kHz以上，有0.25 UI峰对峰容忍值。在8 kHz以下有个6 dB per octave的斜率，在200 Hz时，容忍值会上升到10 UI峰对峰值。消费性规格被记载可允许较低成本时脉回复系统，所以相对于专业性规格来说，消费性规格是较为松懈的，规格如(图五)所示。

《图四 专业性接收器抖动容忍度规格》

《图五 消费性接收器抖动容忍度规格》

抖动容忍转角频率被低于200 Hz左右，这允许使用单阶段的时脉回复系统(one stage clock recovery system)，这可以使得在200 Hz以上的抖动减少。这是相当有帮助的，尤其在D/A 转换器的取样时脉上，边频带的抖动值比200 Hz高出许多时，可能会增强到可以听见的程度。

在这两个样板中，最高抖动容忍限度是设定在10 UI，这主要是简化测试讯号。在接收器内，抖动容忍值会持续增加。消费性样板在400 kHz，也有个难以理解的步阶。在这频率以上，容忍的程度要求稍微减少，但是除此之外，这样板扁平的高频率部分，是与专业性形式相同。所以任何接收器只要符合专业性的抖动容忍度，就能符合消费性抖动容忍度的规格。

测量接收器抖动容忍度

测试输入埠的抖动容忍度，这与其他测试是相似的。当错误开始发生在输入埠接收器时，在DUT内，将会发现一个讯号，会有某种程度的监控。在此同时，不同频率的正弦曲线抖动，都会出现在输入埠上。当测试频率的抖动程度一直增加，直到错误被察觉时，在发生错误前的最高频率，我​​们把他称为频率抖动的容忍度。

量测规格的兼容性

证明规格的兼容性，是利用样板和接收器在正常工作时，所使用抖动程度与频率来做判断。 System Two Cascade可附带样板数据档案，到Jitter Generation: EQ Sine型式内的抖动产生器，自动地测试抖动容忍度样板曲线。当在DIO面板选择抖动振幅1 UI，而且选择抖动类型为EQ Sine，这时样板EQ曲线就能提供正确的振幅。在接收器接收错误开始发生时，去确认监测正弦波形的失真情形。 (图六)的轨迹是从上述测试中所得的结果。

输入埠的解码失败是决定在DUT的输出(返回)讯号，对着左手边刻度标绘蓝色的THD+N读数 。我们利用专业性DAT录音机，在这测试下的装置，是有个正常97.5 dB THD+N读值(量测在 "Input monitor"形式中的digital -to- digital值)。由于接收器无法锁定这讯号，所以抖动频率从160 Hz到3.6 kHz，THD+N数据就偏离了这刻度。 (在表示THD+N量测的幅度图形中，这横过图表上方重覆的 "T"字型符号，由于读数不稳定，所以暂时消失)。

《图六 THD+N相对于抖动图》

另外两个曲线：标准抖动曲线，以黑色表示； 与从DUT输出埠的返回讯号，量测其抖动程度曲线，以灰色线表示。这刻度是以UI表示，但是单位是使用峰值来表示，所以这抖动数值是显示样板数值的一半。 (这抖动量测在3.4 UI以上是饱和值，而在这图形中也同时说明了DUT还没锁定这讯号)。

讯号特性(Signal Characterization)

有时候去量测一个讯号会要求在 " in situ" ，这有可能是诊断系统问题中的一部份；比如说，测量是否符合规格时，装置偶而会发生数据错误的情形。有很多特性量测的方法，在上期量测输出埠量测中已被提到，以下是复习独立量测讯号规格：

讯号振幅

峰值振幅有着可简单量测的特性，但通常对于讯号品质，却不能直接表示出来。如果峰值讯号振幅，比起因电缆损失所产生的特定振幅，还要低出许多时，它很有可能会因那些损失的从属频率性质，产生脉冲失真，进而造成更重要的eye opening缩小。无论如何，eye opening的尺寸估计值是需要做，这可用来与眼图连同输入埠最小的输入讯号振幅做比较。

讯号介面抖动

输出埠本质抖动的量测方法，可应用在介面讯号任何点上的抖动量测。抖动频谱也可用来寻找任何特定的问题(如上期输出埠量测中所讨论的本质抖动)。如果有个大的抖动峰值，这或许是相当于在早先的系统中，PLL阻尼不足所造成的。另外，也有可能使用特殊的测试讯号，来调整已检测过的界面讯号。

讯号对称与DC偏移

对数位音频界面讯号来说，不应该有任何DC成份存在，这可使用高阻抗的电压表来测量。如果界面讯号有AC的成份存在，来干扰这电压表的话，可先使用低通滤波器；对于平衡式AES3界面来说，他允许介面的一支脚变成开回路。这是因为讯号返回可完全通过其他路径，例如返回电流经由电容到电缆屏蔽。

显然地，在一些情况下，这种缺失状况可以改善讯号。电容耦合绕过开回路时，耦合效果在高频率成分会比低频率成分的效果好。但由于电缆线的损耗，通常是在讯号较高频率的成份，所以考虑衰减时，会有某种程度上的等化。

讯号反射

使用示波器去观察讯号的反射信号；在互连电缆及连接器中，由于在传输线类型，电阻会有间断不连续的现象，进而产生这些反射信号。如果间断发生在以下情况：

‧终端不正确，或不适合。

‧有电缆线残端。这有可能会发生在录音室的转弯地方。

‧使用平行双输入的BNC T型接头。

‧电缆带有不正确的阻抗。这很容易就会意外地使用50(同轴电缆来替代75(。一些双绞式电缆型式，在与平衡的界面时，可能会有严重的不匹配情况产生。在特定的star-quad电缆有着非常低的传输线阻抗（不要与电阻混淆），而且对于AES3连接来说，如果与简单的双绞式电缆相结合，将会造成不好的反射情形。

若反射讯号有着与非反射讯号相同的极性，则它直接加到振幅。这是因为比起电缆阻抗，电缆被终端在较高的阻抗。如果电缆线间断使阻抗减少，那么这反射将与极性相反，而且将从振幅中减去。在这些情形中，间断并不足够造成眼高会严重地被降低，所以它应该不会影响到讯号的解码。

结论

在迅速崛起的IA时代中，数位音频传输介面已经是一个被大家公认的标准，在目前IA设备中，数位音频传输介面是不可获缺的，举凡在DVD、VCD、CD、音效卡、甚至合成数位视讯，其内部资料传送或是输出数位讯号规格，几乎都必须符合IEC60958或AES3规范，所以在数位音频讯号领域中了解IEC60958以及AES3规格及测试方法是多媒体工程师应具备的工具之一。