超高速40 G＆100 G實體層測試

超高速40 G＆100 G實體層測試

　現今通 訊產業所面臨到的最大挑戰來自於核心網路的頻寬擴充，網路資料量暴增是驅動網路頻寬成長的動力，現今，最大的驅動力來自於影像傳輸，不論是來自客戶端的影 像內容提供網站如YouTube或是HULU，還是由電視公司或是電信業者所提供的商業服務，分析者預期網路頻寬爆炸性成長還會持續，特別是利用IP pipes來傳輸高畫質的影像。

　更快速 的資料內部連結(interconnects)需求導致大量高速實體層的電路與元件的研發，檢視元件的研發與生產需求所需的量測儀器，必須要可以發送與接 收訊號，這個訊號是必須任意可調整的速率振幅和訊號格式，測試設備也必須要能夠察覺接收訊號產生的每個位元錯誤與所有的誤碼率(BER)，Anritsu MP1800A 因應40G和100G超高速實體層測試需求而設計。

　IEEE分別就40G和100G數據傳輸速率進行研究，發展訂定針對40G與100G的IEEE 802.3ba規範，2008年10月， 發布IEEE 802.3ba 1.0版本。

　兩轉傳輸速率分別用在不同的網路應用, 40GE主要針對伺服器到交換器(server-to-switch)間的應用, 而100GE 主要應用為骨幹網路以容納由各處匯集而來的網路流量.而所提出來的802.3ba規範支援全雙工操作並且保存標準802.3 MAC (媒體存取控制)框架格式,包括當前最大值與最小值的框架大小.規範規定MAC/PHY介面誤碼率(BER)要在10-12或是更佳的狀態。

Media	40 GE	100 GE
	min run length (m)	min run length (m)
Single-mode optical fiber	10 km	40 km
Multi-mode optical fiber	100 m	100 m
Copper-cable assembly	10 m	10 m
Copper backplane	1 m	N/A

　從上表我們可以很清楚的看出, 實體層的規格考慮到各種不同的傳輸媒介,就如同其他的高速乙太網路規範. 與其他的網路規範一樣,802.3ba利用多重訊號的優點,在特定介質上傳輸.就像在光纖上, 100GE 實體層是利用四個波長, 每個波長各傳送25Gbps 數據傳輸速率. 但是對照到銅纜上, 則是利用不同通道,每個通道的傳輸速率為10Gbps所組成. 在文件中也是參考像是10x10的安排.上述兩個案件都是100Gbps的案例。

　為了補 足IEEE制定規範不足的地方, IEEE又與其他的規範制訂團體和企業組織合作.ITU(International Telecommunications Union)-國際電信聯盟 study group 15 開發DSL(digital subscriber line), PON(passive optical networks)和最重要的OTN (optical transport network). ITU-T standard G.709 定義了OTN實體介面包括了像是框架結構,多路傳輸, 封包mappings. 40G和100G實體層規範的關鍵_ITU 建立了WDM(wavelength division multiplexing)數據傳輸方式.ITU與IEEE間相互合作，允許電信網路骨幹與區域網路應用利用基礎技術相容的優點互取所長。

　在 MAC層操作的數據封包傳輸率上.有12%額外的頻寬負載給非封包元素如frame header, FEC(forward error correction) code overheads. ONT實體層元件和模組測試設備,必須可以支援訊號傳輸率到28Gbps.此外關於數據編碼與框架的內容, 實體層規範必須定義訊號標準給每個不同介質.訊號標準定義數據傳送器與接收器如何將線性訊號判斷其正確的位元值.OIF(Optical Interconnecting Forum)是制定光學介面標準的產業組織. OIF 會推薦網路互通性,包括一些挑戰高速訊號傳輸的背板規格.OIF 推薦一種特殊的光學調變模組計畫-DP-QPSK (dual polarization quadrature phase shift keying)-用於100G網路應用的調變技術。

　廣泛採用單一標準的光學調變方案解決了許多問題：對於光學元件製造商來說，可以只生產 單類型的產品給更多的客戶。對於系統製造商而言，一個共同標準的調變技術的出現,可以擴大規模經濟規模，降低光學元件和實體層模組成本。對於系統運營商來 說，單一的調變方式可以讓不同的系統供應商所生產的設備便於互通。 在較低的數據傳輸速率，在光通訊產業已能夠利用簡單的二位元訊號來產生光學鏈路。因為70或是80年代所埋設的光纖是為了滿足較低速率的傳輸，有傳輸速率 的限制,所以要在現有的光纖設備上推動高傳輸速率訊號時，迫使業界利用類比RF的調變技術。要電信業者重新鋪設大容量的光纖以滿足不斷增加的數據傳輸量而 是不切實際的。重要的是，如何利用現有的光纖來達到高速的數據傳輸速率。簡單地轉換二進制碼可以將100 Gbps的信號傳送約3公里的距離,在PMD（偏振模色散）和CD（色散）效應使信號無法讀取前。

　調變機 制如DP-QPSK允許實體層元件傳輸和接收多重位元在單一個symbol內.使得我們可以利用較低的傳輸頻寬來滿足較大的數據傳輸量.若是只侷限在私人 網域,傳輸線路兩端使用相同製造商所製造的元件,特別的調變機制是一個影響不大的問題.但是當應用在公共網域上時,使用者利用不同廠商所製造的元件來做連 結十時,一個共通的調變機制是必須的。

　為了加 強高速網路數據傳輸能力需要正向錯誤更正(Forward Error Correction)來輔助.適當測試訊號的產生與辨識能力必須依靠FEC的編碼解碼.支援100GE 長距離測試的測試儀器必須要可以測試利用DP-QPSK調變來傳送和接收100Gbps資料封包的元件.測試儀器會產生四個同步的25Gbps資料封包串 流.同樣的,40Gbps DQPSK  (differential quadrature phase shift keying)調變技術需要兩個同步的20Gbps資料封包串流(圖1).

　在這兩種應用的測試功能，必須包括足夠的靈活性，允許測試者利用bit pattern,調變的相位與頻率進行試驗已計算調變通道的邊際(margins)範圍測試環境必須要可以測試多通道串流, 充當傳輸器來測試接收器的功能或是變成接收器測試傳輸器功能.在某些特定的時機, 也許不需要每個通道的位元串流資料都是獨立的.這是我們可以利用RF splitters來做分流。

　

　另外一 個考慮，在選擇14到28 Gbps測試設備要點為是能夠改變光子介面的工作點.有些光調製器驅動器可產生的最佳的交叉點並不是在50%的位置點.若測試儀器可以調整正常信號振幅的 交叉點從20至80％,如安立知MP1800A 誤碼率分析儀(BERT).利用調整驅動信號與光調製器的固有特性相配合，工程師們可以更能精確地掌握實體層真正的效能邊際範圍。

　另一個與此系統應用相關的領域為銅線內部互連(copper interconnects).在FR4基板上的內部系統的通訊連結電路.以前OIF CEI (Common Electrical Interface) electrical and jitter 互通協定,在一定的傳輸距離內FR4線路極限值為11Gbps.現今OIF正在推動傳輸速率達到20Gbps甚至25Gbps的目標.FR-4是一種高損 耗的材質,所以新的PCB材質開始被新市場所接受以達到傳輸更高頻率的目標.系統商想要實現20Gbps通訊通道就必須考慮到PCB有限的高頻效能. 特别是，必須知道傳輸訊號必須是pre-emphasis signal,它可以減少串音(crosstalk)影響,特別是在雙向饋線間。

　當訊號達到20或25 Gbps傳輸率時，開始有許多訊號完整度的問題需要去考慮。 隨著訊號傳輸率的增加，對於訊號完整度的考量越來越重要,在產品量產前我必須去注意在PCB板上每一對差動訊號線在測試版上的表現是否符合標準。未經測試 而盲目的設計電路不太可能有足夠的效能表現,並且對產品開發日程表和預算而言,測試板修正週期所付出的代價是非常昂貴的. 隨著電路設計因為寬頻訊號匯排流複雜度增加,阻抗匹配將變的更困難.因為必要的繞線規劃會導致平行線傳輸長度之間的不匹配。

　阻抗的不匹配會導致反射(reflections), 振鈴(ringing),和 串音(crosstalk)等干擾現象增加。銅線的路徑長度也會導致通道間的時滯現象變的嚴重-差動訊號的傳輸導線不等長所造成的相位差. 好的電路測試可以讓設計者在量產之前確認基板的效能是否在可接受範圍內.系統商與PCB製造商還必須確保測試板的性能可以達到信號完整性的標準. 這類應用的測試設備必須要可以設定相關訊號參數來完成訊號容忍度相關測試。

　根據不同的應用系統，特別是那些光驅動元件，訊號振幅可能會高達3.5 V.測試儀器為了驗證系統及其部件，因此必須在全速數據傳輸速率下可以達到3.5 V訊號振幅，以及多重信號的相對相位調整。而要可以產生兩個相對應的訊號,且可以輕易的調整不同訊號間的相位關係來完成訊號容忍度的測試,測試儀器需具有 高振幅訊號輸出能力與多通道的高速PPG(pulse pattern generators)架構.不論在任何速率下,都可以產生真的PRBSs (pseudorandom binary sequences)訊號與可自我任意編輯訊號的能力是非常重要的.因為在許多的協定規範裡需要用ITU-T O.150和O.151 (PRBS-7 or PRBS-31)來進行測試. 市面上有些測試儀器並不符合ITU - T的建議，因為他們的PRBS是利用低速率的訊號多工成高速率的訊號.但是因為多工程序的不正確而沒有產生真的PRBS訊號。

　一個完整符合此應用的測試儀器除了PRBS訊號外,還必須要可以讓使用者自行編輯它所 需要的測試訊號.晶片商或是設備商可以利用此種可自行編輯的儀器來完成新規範的量測, 不需再添購新儀器或是功能來符合新規範的量測. 目前測試設備通常可提供高達128或256 MB的記憶體供使用者編輯訊號封包，足以支援複雜的協議。

　光調變器的測試比較關切的是通訊通道內實體層的表現：在不同的極化現象下系統的穩定 度，訊號調變在光源上後的互通性和pre-coding在光纖上降低傳輸損耗的效果.儀器需要可以獨立產生兩個訊號.PPGs 必須可以控制兩個獨立訊號通道的相位位移和產生可編輯的訊號封包來評估串音所帶來的巨大影響與訊號調變產生的效益。

　光纖接收器必須從所接收到的訊號裡面去抽取clock訊號. 接收器讀取輸入的數據流-隨機分佈的1和0訊號-來辨識節奏.CDR (clock data recovery)電路檢查原始的訊號,辨識節奏然後產生內部接收通道的colck,讓系統當作判別訊號的依據.只要0和1的數量相當,CDR是可以正常 工作的.但是在高速通訊連結中, NRZ (non-return to zero)訊號包含一長串的0或是1是很常見的. 足夠長的連續0或是1序列將打破的CDR的產生clock的正常運作.這是一個簡單的pattern-dependent錯誤機制例子.為了預防接收通道 產生此類的錯誤,一些調變協定不允許0或1的串流長度超過規定值。

　測試高密度的零，高密度的壹，與反相訊號等一些常見的測試模式來測試相依訊號的相互作 用。轉變的錯誤(Transition errors)，非轉變的錯誤(non-transition errors)，編碼插入錯誤(code-insertion errors)和編碼遺漏錯誤(code-omission errors)都屬於通道失效模式。測試系統必須產生，恢復和分析雙通道差動訊號在28 Gbps的傳輸速率。

　測試環 境應該簡化解釋測試结果的程序和轉換被搜集的信息由測試系統或信號參數調整通訊鏈路的物理特性的測試結果。例如，omission errors和insertion errors可能來自一個臨界值偏移(threshold offset)，而同樣的錯誤也在特定狀態，轉換，或是交替式通道裡的訊號也許表示串音干擾所造成。

　請注意，大部分通道失效模式源於類比行為。這一概念的通訊通道是一種數據訊號傳輸機制.在實體層層，信號本身-無論是電子脈衝通過銅纜或銅線或光的脈衝訊號通過光纖鏈路-始終是一個類比現象.為此，許多方法適用於高速實體層電路與高頻設計和訊號條件有關係。

　其中一 個高頻訊號條件的方法是pre-emphasis，在訊號的0與1的轉換過程去加重轉換後的每個起始位元的位準（圖2）.歷史上，系統採用預加重處理兩種 類型的問題.第一，訊號是受到通訊通道的限制，其中主要是通道雜訊,而頻譜平坦度是一個次要的考慮.電視音響，無線電廣播和地面模擬音頻記錄系統都利用 pre-emphasis這種方式來做傳輸.通過提高訊號的高頻內容傳送訊號通過通道，接收器可以衰減掉相同數額高頻能量。接收器執行此功能通過一個相互 去加重的過程，並在這樣做，它恢復了原始訊號的頻譜特性，通道雜訊有顯著減少。

　Pre- emphasis的第二個應用，主要是通訊通道頻寬有相當大的限制.在數據通訊，無論銅互連和光纖傳輸都有此種這種現象，銅由於其材料的限制和光纖則是由 於色散效應的影響。正如在第一種情況下pre-emphasis增加了訊號傳輸時的高頻內容.我們的目標是，以補償interconnect介質所產生的 高頻衰減，並在這第二種情況下，接收方不須執行de-emphasis。pre-emphasis補償了材料的損失,我們可以觀察經過傳送後的訊號眼圖, 由於ISI(inter-symbol interference)所引起的失真現象明顯減少。

　發射機 傳送經過塑形的訊號如pre-emphasis帶來其他好處，讓越來越多的高速序列連接阜的規範要求訊號需要有pre-emphasis 處理。若是訊號不做pre-emphasis的處理，例如，非歸零碼(NRZ)訊號受到更大的訊號衰減，在接收端訊號抖動(Jitter)增加,訊號品質 下降，隨著電路內部數據互連(interconnects)與外部訊號傳輸速率越來越快速,如IEEE 802.3ab持續推動著更高速的傳輸技術.研發與生產人員會遇到更艱難的挑戰,需要適當的量測設備來支援不同的傳輸率、不同的訊號強度與格式。

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