通信網(wǎng)banner.jpg)
相關(guān)專(zhuān)題：
文．馮國(guó)璋
設(shè)備廠商驗(yàn)證無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(PON)系統(tǒng)的優(yōu)先級(jí)，通常是使用數(shù)據(jù)流量的方式來(lái)快速測(cè)試系統(tǒng)質(zhì)量好壞。但通常結(jié)局只有兩種，一是順利通過(guò)流量質(zhì)量、延遲或其它封包測(cè)試，二則是花費(fèi)了許多除錯(cuò)的時(shí)間仍找不到改善質(zhì)量的關(guān)鍵因素。
目前一般做法皆透過(guò)軟件工程人員不斷地改善流量處理速度、頻寬設(shè)定及協(xié)議上的問(wèn)題，但卻忽略了硬件改善的根本思考方向。國(guó)際設(shè)備大廠皆從物理層著手；而眾多物理層測(cè)量驗(yàn)證的項(xiàng)目更是以眼圖信號(hào)為一窺系統(tǒng)質(zhì)量及相關(guān)改善的方向。因此，本文將說(shuō)明眼圖基本驗(yàn)證項(xiàng)目，并提出PON常見(jiàn)的問(wèn)題提供PON系統(tǒng)研發(fā)廠商有效改善產(chǎn)品質(zhì)量的驗(yàn)證方向。
信號(hào)好壞一望可知 眼圖幫助大
眼圖是高速信號(hào)依據(jù)時(shí)間對(duì)累加1及0振幅的相對(duì)關(guān)系(圖1)。由兩個(gè)位所組成的眼圖信號(hào)，其中中間的一個(gè)位是眼晴張開(kāi)得以讓信號(hào)順利通過(guò)的關(guān)鍵。一般而言，眼圖張得愈開(kāi)，代表較佳的信號(hào)質(zhì)量及較低的誤碼率；反之，眼圖愈小即代表信號(hào)質(zhì)量愈差，也有較高的誤碼可能。眼圖兩邊的交叉點(diǎn)即代表信號(hào)由0轉(zhuǎn)1及由1轉(zhuǎn)0的信號(hào)轉(zhuǎn)換質(zhì)量，如此將有益于分析信號(hào)在振幅及時(shí)間上失真的損耗。
圖1 信號(hào)眼圖
不同交叉比例關(guān)系傳遞不同信號(hào)位準(zhǔn)
此外，由于眼圖交叉百分比，是測(cè)量交叉點(diǎn)振幅與信號(hào)1及0位準(zhǔn)之關(guān)系，因此不同交叉比例關(guān)系可傳遞不同信號(hào)位準(zhǔn)。舉例來(lái)說(shuō)，一般標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)其交叉百分比為50%，即代表信號(hào)1及0各占一半的位準(zhǔn)。為了測(cè)量其相關(guān)比率，使用的統(tǒng)計(jì)方式分析如圖2。交叉位準(zhǔn)依據(jù)交叉點(diǎn)垂直統(tǒng)計(jì)的中心窗口而計(jì)算出來(lái)的平均值，其比例方程式如下：
100×[(交叉位準(zhǔn)–0位準(zhǔn))/(1位準(zhǔn)–0位準(zhǔn))]
圖2 眼圖信號(hào)交叉點(diǎn)比例關(guān)系
其中的1及0位準(zhǔn)是取眼圖中間的20%為其平均值，即從40～60%中作換算；而最終眼圖交叉比例即從0位準(zhǔn)的0%到1位準(zhǔn)的100%分析相關(guān)水平軸，而一般對(duì)應(yīng)縱軸即會(huì)呈現(xiàn)趨近50%的關(guān)系。
隨著縱軸交叉點(diǎn)比例關(guān)系的不同，又代表著不同的信號(hào)1或0傳遞質(zhì)量之能耐。如圖3所示，左邊圖形為不同交叉比例關(guān)系的眼圖，對(duì)應(yīng)到右邊相關(guān)的1及0脈沖信號(hào)；同時(shí)，可以了解在不同脈沖信號(hào)時(shí)間的寬度下，與眼圖交叉比例之關(guān)系。若分別以75%、50%及25%三種眼圖交叉比例作說(shuō)明；其中75%所對(duì)應(yīng)的1及0脈沖信號(hào)顯示，特別對(duì)于待測(cè)物著重在1位準(zhǔn)測(cè)量信號(hào)質(zhì)量時(shí)，1信號(hào)脈沖的時(shí)間軸寬度大于0信號(hào)脈沖，若以傳遞較多1位準(zhǔn)信號(hào)的流量而言，將會(huì)依此比例關(guān)系來(lái)驗(yàn)證信號(hào)誤碼、屏蔽(Mask)及其極限值(Margin)。
圖3 不同眼圖交叉比例與脈沖信號(hào)之關(guān)系
反之，若使用25%為驗(yàn)證，依其所對(duì)應(yīng)的1及0脈沖信號(hào)顯示，0信號(hào)脈沖的時(shí)間軸寬度將大于1信號(hào)脈沖，即待測(cè)物著重在0位準(zhǔn)測(cè)量信號(hào)質(zhì)量；或會(huì)傳遞較多0位準(zhǔn)信號(hào)的流量。過(guò)多的0信號(hào)，一般容易造成接收端信號(hào)不易從其中抽取頻率，導(dǎo)至無(wú)法同步，進(jìn)而產(chǎn)生同步損失(Synchronous Loss)。對(duì)于一般的信號(hào)而言，平均分布信號(hào)位準(zhǔn)1及0是最常見(jiàn)的，因此要求眼圖交叉比例為50%，即相同的信號(hào)脈沖1與0長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)，來(lái)作相關(guān)參數(shù)的驗(yàn)證。眼圖比例關(guān)系的分布，可以有效地測(cè)量因不同1及0信號(hào)位準(zhǔn)的偏差所造成的相對(duì)應(yīng)振幅損失分析。
抖動(dòng)質(zhì)量攸關(guān)信號(hào)好壞
抖動(dòng)質(zhì)量是高速信號(hào)最常驗(yàn)證的項(xiàng)目，也是重要的測(cè)量參數(shù)之一，可有效驗(yàn)證相對(duì)理想時(shí)間下的飄移情形。在計(jì)算抖動(dòng)時(shí)，常以眼圖交叉點(diǎn)上升及下降邊緣的信號(hào)對(duì)時(shí)間統(tǒng)計(jì)之分析方式作測(cè)量依據(jù)。如圖4所示，在所選取的區(qū)塊中進(jìn)行抖動(dòng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)(Jitter p-p)及抖動(dòng)均方根值(Jitter RMS)之驗(yàn)證；其中Jitter p-p是以所取選取區(qū)塊之統(tǒng)計(jì)寬度作為計(jì)算，而Jitter RMS是以平均分布標(biāo)準(zhǔn)差1奈秒作計(jì)算；而對(duì)應(yīng)的真實(shí)抖動(dòng)眼圖如圖4右方所示。
圖4 抖動(dòng)測(cè)量基準(zhǔn)
眼圖上升及下降時(shí)間影響信號(hào)質(zhì)量
一般測(cè)量上升及下降時(shí)間，是以眼圖占20～80%的部分為主，其中上升時(shí)間如圖5，分別以左側(cè)交叉點(diǎn)左側(cè)(20%)至右側(cè)(80%)兩塊水平區(qū)間作此傳遞訊息上升斜率時(shí)間之換算。計(jì)算公式如下：
上升時(shí)間=平均(80%時(shí)間位準(zhǔn))－平均(20%時(shí)間位準(zhǔn))
圖5 眼圖信號(hào)上升時(shí)間
而20%及80%是與信號(hào)位準(zhǔn)1及0有著相關(guān)性。當(dāng)然，如果上升時(shí)間愈短，即愈能表現(xiàn)出眼圖中間的白色區(qū)塊，即代表可傳遞的信號(hào)及容忍誤碼比率較好。 而對(duì)于眼圖下降時(shí)間(圖6)所示，分別以右側(cè)交叉點(diǎn)左側(cè)(80%)至右側(cè)(20%)兩塊水平區(qū)間作此訊息傳遞下降斜率時(shí)間之換算。計(jì)算公式如下：
下降時(shí)間=平均(20%時(shí)間位準(zhǔn))－平均(80%時(shí)間位準(zhǔn))
圖6 眼圖信號(hào)下降時(shí)間
如同上升時(shí)間一般，如果下降時(shí)間愈短，亦愈能表現(xiàn)出眼圖中間的白色區(qū)塊，可以傳遞的信號(hào)及容忍誤碼比率愈好。
DCD為信號(hào)傳遞重要觀察依據(jù)
信號(hào)循環(huán)失真比(Duty Cycle Distortion, DCD)是信號(hào)1及0傳遞偏差比例觀察重要依據(jù)之一。DCD是測(cè)量在數(shù)據(jù)訊框(Pattern)傳遞中，脈沖寬度的變異對(duì)于一般正常值的差異比例關(guān)系，一般理想值為0，代表信號(hào)1及0平均分布且傳遞脈沖寬度一致。如此的眼圖交叉點(diǎn)將位于50%的位置，其測(cè)量的方式是分別以50%為主的眼圖上升端及下降端時(shí)間差異，對(duì)應(yīng)的公式如下：
信號(hào)循環(huán)失真比=100×[眼圖上升及下降邊緣之間的時(shí)間差異@在50%位準(zhǔn)/位周期]
上述公式又可以如圖7下方的公式表達(dá)。而在圖8中，特別將DCD的比例關(guān)系標(biāo)示出來(lái)，隨著眼圖交叉比例75%、50%及25%的關(guān)系下，在75%的脈沖信號(hào)中，1區(qū)間較0區(qū)間長(zhǎng)，DCD的比例為14%；相對(duì)于25%的脈沖信號(hào)中0區(qū)間較1區(qū)間長(zhǎng)，同樣地DCD的比例也為14%；而在理想的條件下1及0具備相同長(zhǎng)度，而DCD的比例關(guān)系則為0%。
圖7 DCD比例關(guān)系說(shuō)明
圖8 DCD比例與脈沖信號(hào)之關(guān)系
差動(dòng)信號(hào)有效判斷噪聲高低
差動(dòng)信號(hào)是提供高速信號(hào)傳遞過(guò)程中，噪聲免除或有效判斷位準(zhǔn)排除噪聲的重要機(jī)制。然而整體的差動(dòng)信號(hào)質(zhì)量，仍然需要一些分別或重組等方式來(lái)檢驗(yàn)相關(guān)的信號(hào)內(nèi)容是否有偏差。如圖9 Ch1與Ch2兩個(gè)信道信號(hào)的差動(dòng)信號(hào)所示，就上下眼圖之信號(hào)并無(wú)太大之差異。進(jìn)而將信道信號(hào)作眼圖至脈沖信號(hào)之轉(zhuǎn)換，并執(zhí)行Ch1與Ch2的信號(hào)相加與信號(hào)相減的動(dòng)作。在脈沖信號(hào)重迭信息中，差動(dòng)信號(hào)對(duì)應(yīng)的關(guān)系良好，相減之信號(hào)即為單一各脈沖信號(hào)振幅的兩倍，且具備相關(guān)之脈沖寬度；而相加之信號(hào)可以看出有一些在0位準(zhǔn)之起伏高度或偏斜(Skew)。
圖9 DCD比例與脈沖信號(hào)之關(guān)系
在前述標(biāo)準(zhǔn)正常的信號(hào)下，若試著將差動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生1個(gè)單位間隔(Unit Interval, UI)或稱(chēng)1個(gè)數(shù)據(jù)位的偏差。此時(shí)重迭后的眼圖如圖10所示，Ch1與Ch2兩個(gè)信道信號(hào)已經(jīng)明顯看得出來(lái)，但并沒(méi)有造成多大的損失；但若將其轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)時(shí)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)信號(hào)間的偏斜則嚴(yán)重起來(lái)。
圖10 具備偏差的差動(dòng)信號(hào)
同時(shí)，再將兩個(gè)信道信號(hào)作兩兩相減及相加的比較，發(fā)現(xiàn)使用脈沖信號(hào)之比對(duì)，將較容易判斷出信號(hào)偏差的嚴(yán)重關(guān)系，特別是在差距大于1UI時(shí)。而在此較大差距之狀況下，將產(chǎn)生額外的位準(zhǔn)在眼圖信號(hào)的中間。主要的原因是幾項(xiàng)，包括：有25%之Ch1時(shí)間及Ch2皆為高，所以Ch1－Ch2等于中間之位準(zhǔn)；有25%之Ch1時(shí)間及Ch2皆為低，所以Ch1－Ch2等于中間之位準(zhǔn)；有25%之Ch1時(shí)間為高；但Ch2為低，所以Ch1－Ch2等于中間之位準(zhǔn)；以及有25%之Ch1時(shí)間為低，但Ch2為高，所以Ch1－Ch2等于中間之位準(zhǔn)。
此相同之情形也同樣發(fā)生在Ch1＋h2時(shí)(圖11)，故重點(diǎn)在于，測(cè)量前盡可能地使差動(dòng)信號(hào)之偏差降至最�。换驕y(cè)量后改善偏差情形至最小。
圖11 具備偏差的差動(dòng)信號(hào)信道相加及相減
ER代表光信號(hào)特定振幅失真參數(shù)表現(xiàn)
光消比(Extinction Ratio, ER)代表在光信號(hào)中特定振幅失真的參數(shù)表現(xiàn)，是測(cè)量較高位準(zhǔn)下配合較佳誤碼率之信號(hào)1及0位準(zhǔn)間的比例關(guān)系。相關(guān)的計(jì)算公式如下：
光消比(dB)=10log10[1位準(zhǔn)/0位準(zhǔn)]
有如屏蔽測(cè)量一般，相關(guān)的測(cè)量規(guī)范皆須符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)建議的方式，例如測(cè)量此信號(hào)時(shí)的眼圖必須使用四階Bessel-Thomson接收響應(yīng)；而3dB的截止頻率為3/4×速率。此要求目的是確保所有的傳送端皆在近似之接收響應(yīng)下作相關(guān)測(cè)試。圖12顯示此待測(cè)物之光消比數(shù)值為8.9dB，依經(jīng)驗(yàn)，一般PON光電模塊組件約介于11～13dB，PON系統(tǒng)約為9～12dB；而目前也有國(guó)外以太網(wǎng)絡(luò)光纖被動(dòng)網(wǎng)絡(luò)(GPON)廠商要求此數(shù)值必須達(dá)17dB，且特別是在光電模塊電路布局于系統(tǒng)中。
圖12 眼圖之光消比參數(shù)
利用眼圖屏蔽 快速判斷信號(hào)是否符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)
依據(jù)不同產(chǎn)品別所制訂的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，有著不同眼圖屏蔽之要求，在PON系統(tǒng)中，分別以IEEE 802.3ah及ITU-T G.984.2的要求為主，如圖13所示，在左方為一般正常測(cè)量方式，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間或信號(hào)位傳遞(Hit Rate)下，測(cè)試信號(hào)能否通過(guò)屏蔽之考驗(yàn)。而右方的測(cè)試則是通過(guò)屏蔽驗(yàn)證后，再進(jìn)行相關(guān)最大屏蔽極限(Margin)之測(cè)試，而能超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)屏蔽的比例愈大愈好。
圖13 眼圖之光消比參數(shù)
PON系統(tǒng)信號(hào)眼圖問(wèn)題仍多
在實(shí)務(wù)經(jīng)驗(yàn)中，若發(fā)生PON信號(hào)眼圖無(wú)法如圖14正常呈現(xiàn)，一般可能發(fā)生的原因包括：頻率信號(hào)輸入有誤，也就是眼圖儀器并沒(méi)有正常取得相對(duì)應(yīng)的頻率信號(hào)，故在輸入信號(hào)的速率上也不正確，如圖14左上方對(duì)GPON光網(wǎng)絡(luò)終端(ONT)的接收信號(hào)并非呈現(xiàn)2.488Gbit/s，故必須檢查儀器對(duì)頻率及信號(hào)之設(shè)定，如輸入比例、波長(zhǎng)選取正確性、正確四階Bessel-Thomson濾波器(BTF)配置、合適信號(hào)位準(zhǔn)之輸入。
圖14 沒(méi)有眼圖信號(hào)問(wèn)題
另一個(gè)造成PON信號(hào)眼圖無(wú)法正常呈現(xiàn)的原因，也可能是沒(méi)有取得真正突波(Burst)模式的頻率信號(hào)，特別對(duì)于突波模式的信號(hào)而言，完整的周期包含主要傳遞數(shù)據(jù)(Overhead及Payload)，以及沒(méi)有傳遞數(shù)據(jù)的保護(hù)區(qū)(Guard Time)，而下一筆突波模式的信號(hào)再次傳遞訊息時(shí)如何被眼圖儀器抓到，就成為在數(shù)據(jù)輸入的同時(shí)，再配合觸發(fā)頻率相當(dāng)重要的問(wèn)題；否則眼圖儀器必須支持突波模式的頻率恢復(fù)模塊(CDR)。
另外常發(fā)生的問(wèn)題是，信號(hào)位準(zhǔn)1或0過(guò)粗。如圖15所示，信號(hào)位準(zhǔn)1較0厚實(shí)，代表1位所傳遞的信號(hào)其位準(zhǔn)不一致。如圖16所示，面對(duì)較粗的1及0信號(hào)位準(zhǔn)時(shí)，立即切換至脈沖信號(hào)，將可快速判斷問(wèn)題來(lái)源。
圖15 眼圖信號(hào)位準(zhǔn)問(wèn)題
圖16 眼圖信號(hào)及脈沖位準(zhǔn)問(wèn)題
一般發(fā)現(xiàn)，造成位準(zhǔn)較粗的原因，來(lái)自于每一個(gè)位振幅及位準(zhǔn)的偏差，或是因?yàn)橛行Ы厝∮嵖蚪M件的不足，所造成不完整眼圖的信息，或信號(hào)失真及偏差所引起�？煞謩e加強(qiáng)1或0位的數(shù)量來(lái)進(jìn)一步分析電路設(shè)計(jì)或組件的質(zhì)量分析能力，同時(shí)選取準(zhǔn)確的訊框長(zhǎng)度作完整之眼圖測(cè)試。
常見(jiàn)的眼圖信號(hào)明顯抖動(dòng)問(wèn)題，是指信號(hào)在作位準(zhǔn)轉(zhuǎn)態(tài)時(shí)，相對(duì)其理想時(shí)間之偏移量。由眼圖交叉點(diǎn)為中心，可以看到不論是上升或下降的信號(hào)，皆有兩條明顯的曲線(圖17)，當(dāng)周期性的抖動(dòng)信號(hào)愈嚴(yán)重或擴(kuò)大時(shí)，將會(huì)影響到誤碼率的質(zhì)量及屏蔽之要求。在測(cè)量PON系統(tǒng)時(shí)，多專(zhuān)注在最大Jitter p-p及Jitter RMS，以有效確認(rèn)有無(wú)符合測(cè)量之要求。如較佳的Jitter p-p將小于100微微秒，Jitter RMS小于15微微秒。而對(duì)于不同呈現(xiàn)的抖動(dòng)曲線統(tǒng)計(jì)分布，亦可有效判別是信號(hào)位準(zhǔn)1及0或訊框格式或噪聲等干擾來(lái)源，并依此作進(jìn)一步電路改善參考。
圖17 眼圖信號(hào)抖動(dòng)問(wèn)題
在國(guó)際電信運(yùn)營(yíng)商及相關(guān)服務(wù)業(yè)者全力建置下，國(guó)內(nèi)PON系統(tǒng)開(kāi)發(fā)商正如火如荼地進(jìn)行相關(guān)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目。其中改善流量質(zhì)量之對(duì)策，已經(jīng)陸續(xù)由數(shù)據(jù)及應(yīng)用流量及軟件的層面，漸漸朝向硬件根本改善之道，不論從基本光功率、光信號(hào)頻譜，亦或是眼圖信號(hào)儀器作測(cè)試，皆是相當(dāng)重要的質(zhì)量驗(yàn)證參數(shù)之一。值得注意的是，并非單一上游光電模塊組件符合規(guī)格條件，即代表整體系統(tǒng)也必然一定符合，這項(xiàng)迷思，不論是提供插拔式的光電模塊，或是將光電模塊電路直接布局在PON系統(tǒng)皆同。而透過(guò)眼圖分析相關(guān)光電信號(hào)參數(shù)，將有效地協(xié)助研發(fā)人員在物理層不同電路、芯片處理或相關(guān)噪聲的改善，是協(xié)助提升整體系統(tǒng)質(zhì)量的重要關(guān)鍵。
(本文圖片數(shù)據(jù)由安立知提供)
