5G推波海量數據　高速有線傳輸需求浪潮洶湧

傳輸頻寬仍處持續上升之發展態勢，除了5G無線通訊技術即將邁入商用，為用戶提供Gigabit等級的寬頻服務外，有線傳輸技術如USB Type-C也同步升級，為產業發展增添強大助力。 

圖1 碩訊科技總經理蔡遙明表示，中國大陸是目前部署6GHz以下的5G通訊網路發展最快速的國家。

5G的出現就是為了滿足各種新的應用情境與系統服務需求，包含增強型行動寬頻通訊(eMBB)、超可靠度和低延遲通訊(uRLLC)、以及大規模機器型通訊(mMTC)等，皆是未來5G所聚焦的應用情境。 

事實上，5G又分為6GHz以上和6GHz以下的頻段，以目前而言，大多應用聚焦在6GHz以下頻段的類型。碩訊科技總經理蔡遙明(圖1)分析，現階段各國於6GHz以下頻段狀況，以中國大陸的發展速度最快，其次為韓國、美國與日本等，主要是採用多重輸入多重輸出(MIMO)的天線設計改善傳輸速率。此外，針對6GHz以上的毫米波應用，目前採用的頻段大多為28GHz與38GHz，透過大規模多重輸入多重輸出(Massive MIMO)與波束成形(Beamforming)的方式，彌補傳輸速率不足問題，同時降低訊號的干擾。 

從晶片業者布局5G的狀況來看，現以高通和英特爾推動的腳步最為積極。舉例來說，高通2018年年初發表Snapdragon X50 5G數據機晶片，在6GHz以下和毫米波(mmWave)頻段上進行5G NR行動試驗；此外，英特爾也於2018 MWC公開展示首款5G NR互通方案，並與德國電信(Deutsche Telecom)、華為共同宣布成功完成全球首次測試。 

5G帶給企業與消費者的影響，像是自駕車、智慧城市，以及進階的運動賽事觀看體驗等不同使用模式，都將豐富人們生活、工作以及娛樂的方式。5G將促成許多創新服務方案，突破今日基礎架構所面臨的重重限制，進而發展出全新的產業。 

除了5G商機備受看好之外，近期在數據資料爆發性成長的發展下，也驅動各大晶片業者積極研發400G相關技術，包含博通(Broadcom)針對超大規模的網路建設，開始為高階乙太網路交換器(Switch)採購新的商用晶片，而英特爾也接收到來自客戶對於400G雙模光學模組的需求，期能於2018年年底進入量產。與此同時，Finisar也已推出100G、200G與400G可插拔的光學模組，Inphi則是發表第二代400G PAM-4晶片系列組合。 

迎接100G/400G時代　PAM-4破解高測速挑戰 

由此可看出資料中心對於100G和400G的高速傳輸需求如箭在弦，而打造相對應的方案因應市場發展更是刻不容緩。然而，在產品正式量產前，對於相關技術的測試能力，當然不容忽視。 

圖2 太克科技應用工程師沈忠榮談到，量測前先確認量測訊號，是量測傳輸介面必先注意的要點。

太克科技應用工程師沈忠榮(圖2)表示，在進行100G或400G的量測之前，須事先確認測量訊號重點。又或者例如USB Type-C可支援Thunderbolt、DP和USB等不同訊號，但這些訊號通常需仰賴協定進行辨識，簡單來說，USB Type-C只是個連接器，所以在進行量測訊號時，要先了解要測量的訊號類型。 

通常100G傳輸不歸零(NRZ)訊號，每一次只依序傳輸一個資料位元。在有效的時間內，訊號可依據不同的電壓位準代表1或是0，意即每個符號具有一個位元編碼。沈忠榮談到，要達到100G的傳輸速率，需要有4條通道(Lane)傳輸25Gbps的訊號，而要從100G升至400G速率，若沿用100G的傳輸方式，則每條Lane需要提供50Gbps訊號，此舉將耗損(Loss)約40dB的訊號。 

換句話說，當傳輸速率越快，訊號耗損的數值也會越大，故須採用Coding或模組化的方式予以支援，而PAM-4的訊號就此孕育而生。PAM-4就是將兩個NRZ模組化成一個PAM-4訊號，意指在同一個時間裡面，本來是傳輸一個位元(Bit)，就會變成兩個位元，因此在相同的資料傳輸率下，傳出的訊號會提升兩倍。舉例來說，傳輸28Gbaud，所獲得的數據為56Gps訊號。這樣一來，透過此一通道便可以發送更多資訊，毋須具有更高頻寬能力的新元件。 

另一方面，在普遍應用於消費性產品的USB介面發展，從2017年開始，也有長足的進步，例如USB-IF於去年發布了USB 3.2規範，預計將傳輸速度提升至20Gbps；此外，USB-IF也重新定義PD的100W快充協定，手機與充電器Hand Shack，從原本固定變壓，變成連續可變動電壓，藉此降低手機的溫度，提升充電速度。 

ESD/過流/過溫　 USB設計三大挑戰  

USB的標準規範與時俱進，當然產品開發的設計也需不斷提升，而產品設計過程中，難免會存在一些設計上的威脅與挑戰。力特(Littelfuse)資深技術行銷工程師游恭豪(圖3)表示，目前USB最常見的問題就是人體的靜電放電(ESD)、短路、過流與過溫等問題。 

圖3 Littelfuse資深技術行銷工程師游恭豪認為，靜電、過流與過溫等問題，是USB設計時最常面臨的威脅。

由於人體本身帶電，因此碰觸到手機時，容易在USB介面上產生騷動，導致靜電干擾；此外，針腳歪斜、纜線破損、連接器被壓到或踩到，導致產品受損的現象，皆有可能使產品發生過流或短路的問題，因此通常在產品設計時，會透過偵測IC與保險絲施行過電流保護。至於過溫問題，則是來自於一些髒污的產生，如咖啡或流汗結晶滲透進連接器之中，使接頭線纜與充電器燒毀。而這些狀況皆是人們經常會出現的狀況，故在設計系統時，須要將這些威脅考慮進去。 

游恭豪指出，為了解決上述問題，該公司推出了一項正溫度系數的產品—PTC，代表電阻會隨溫度改變的保護器，它是一個可回復式溫度保險絲，當它被擺在USB插頭裡時，可感受到連接端的溫度進而改變自己的電阻，達成斷路的功能，等故障排除後，就會回復電流。 

解決USB Type-C干擾 

USB Type-C應用面臨相當大的瓶頸，因為目前連接器與電纜線和電路板之搭配，甚至控制晶片源頭端之處理更是面臨極大挑戰，因為在過往並未有任何一種接口能夠同時支援高速傳輸、快充、高解析影音、無損音源與高速網路，因此要面臨的挑戰包含高頻雜訊干擾射頻訊號、寬頻影音顯示與大電流快速充電受限，以及用電安全過熱燒毀等問題。 

岱煒科技研發中心技術長鍾軒禾(圖4)談到，USB Type-C連接器與電纜線和相關應用裝置於高速傳輸時，高頻訊號因為傳輸路徑不連續而產生雜訊，此雜訊頻率過寬剛好與相關無線射頻訊號產生共振，導致無線電訊號嚴重失效，而這個問題也是多年來，有線高速傳輸發展受限主要原因。 

圖4 岱煒科技研發中心技術長鍾軒禾表示，USB Type-C常因高頻訊號傳輸路徑不連續而產生雜訊。

高速傳輸時因高頻不連續所產生的雜訊，除了在焊接腳表面電流磁場較雜亂外，中隔板更是導致表面電流磁場雜亂，會對天線射頻訊號造成干擾。此問題在USB 3.0時就已發現，然而在過去是將會干擾的連接器，密封包覆後實行近場雜訊偵測，也因此協會對此非常重視，訂定RFI的測試標準，但是很遺憾的是此測試標準僅針對線纜進行量測，且僅於封閉的管道間進行量測。 

鍾軒禾日前針對USB Type-C無線射頻干擾標準進行實測。他談到，在4GHz以內的RFI標準為-100dBm，在5GHz~6GHz之間標準為-102dBm，此標準主要是小於Wi-Fi射頻-100dBm和小於LTE射頻-105dBm，且在2.4GHz頻段時為-97dBm、5GHz為-92dBm，此設定大於Wi-Fi標準-100dBm，而測試結果為失敗。而後針對700MHz~2.7GHz頻段間，將數值設定為-100dBm，大於LTE標準-105dBm，測試失敗，但也由此得知於5Gbps傳輸速率的雜訊到5GHz才降低，而傳輸速率為10Gbps時，雜訊要到10GHz才降低。 

為了緩解高頻雜訊對射頻訊號的干擾，因此在連接器外部包覆圓錐狀金屬殼重新測試，由實驗中得知Wi-Fi之2.4GHz可降低4dB，Wi-Fi之5GHz可降低7dB，LTE可降低5dB，因此由上述實驗可得知，USB3.1 RFI問題確實會影響無線滑鼠、Wi-Fi、3G與LTE無線訊號，並且會使得系統的無線使用受干擾影響。 

綜合上述所言，鍾軒禾分析，USB Type-C射頻干擾源自於系統端，宣洩於接口端，當USB Type-C射頻處於高頻時，干擾就會越嚴重，因此必須要優化高頻和電路版、改善電纜線，同時還須慎選連接器，以克服USB Type-C帶來的干擾問題。