光纖到家的議題已於2007年正式點燃，全球電信營運商更逐漸導入區域型商業服務。依循著這股全光纖接取網路的市場趨勢，不少晶片廠商陸續於光纖技術上，進行相關功能、技術、系統網管及品質流量等實體火力展示，也帶動業者對量測議題的重視。
近期包括Teknovus及飛思卡爾(Freescale)等業者均動作頻頻，對光纖市場的投入有增無減，一般相信，未來更多的晶片商及系統業者也將會陸續跟進，持續尋求最佳的上游供應元件，包括晶片和接收器，以及完整的量測解決方案，以快速滿足國際市場對被動光纖網路(PON)系統功能及價位的需求，同時創造自已合理的產品利潤。因此，本文特別針對PON關鍵元件接收器及PON系統的量測提出一般量測的說明，以利眾多投入的業者所有參考，不致因節省量測成本而導致產品品質不良，或成無效投資。
收發器尺寸選擇差異大
相較PON系統而言，收發器(Transceiver)元件反而是國內廠商比較容易進入的產品，因為多年來在各種速率的小尺寸插拔式(Small Form-factor Pluggable, SFP)光電模組及10 Gigabit小尺寸插拔式(10 Gigabit Small Form-factor Pluggable, XFP)的研發與生產下已累積不少經驗。而目前比較熱門的產品即是SFP+及小尺寸規格(Small Form Factor, SFF)，其中SFP+主要以8.5Gbit/s、10.3125Gbit/s及10.5Gbit/s速率為主；而SFF則以低速率如155Mbit/s、622Mbit/s、1.25Gbit/s、2.488Gbit/s及4.25Gbit/s為主。如圖1可以明顯看出由於SFF可以再縮小PON系統的電路板空間，因而是PON系統的主要模組。
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| 圖1 各種尺寸的接收器模組 |
PON收發器規格各異
表1所示為千兆乙太網路被動光纖網路(GEPON)的光線路終端(OLT)規格表，重要的OLT參數包含輸出功率範圍、光消耗比(Extioction Ratio, ER)值、從波峰(Peak)下降20dB後的波寬、工作中心波長、影響主波左或右邊的漣波訊號旁模抑制比(SMSR)值、光訊號上升及下降時間、訊號抖動及光罩(Mask)項目等；同時，隨著不同等級的發送器也將有著不同數值的要求。而在千兆被動光纖網路(GPON)OLT中將另包含來自光網路終端(ONT)的重置(Reset)功能(表2)。
表1 GEPON OLT發送器一般規格
資料來源：www.delta.com.tw
表2 GPON OLT發送器一般規格
資料來源：www.nec.co.jp
至於OLT接收器中重要的參數則包含輸入工作波長、接收靈敏度、最大輸入功率、資料輸出上升與下降時間、接收反射值及不同功率衰減下的誤碼率(BER)分布(表3、表4)；同時，隨著不同等級的接收器也將有著不同數值的要求。另外，在接收器中訊號是以突波(Burst)形式來接收，故對於承載資料的大小、訊號間的保護區時間及光訊號上升及下降區間(Gating)等皆會有所要求。
表3 GEPON OLT接收器一般規格
資料來源：www.delta.com.tw
表4 GPON OLT接收器一般規格
光網路單元(ONU)的轉換器如同OLT一般，重要的參數包含輸出功率範圍、ER值、工作中心波長、從波峰下降20dB後的波寬或均方根(RMS)的波寬、影響主波左或右邊的漣波訊號SMSR值、光訊號上升及下降時間、訊號抖動及光罩項目等(表5)；隨著不同等級的轉換器也將有著不同數值的要求。同時，上行的ONU將傳送突波訊號至OLT，故對於承載資料的大小、訊號間的保護區時間及光訊號上升及下降區間等皆會有所要求。
表5 GEPON ONU發送器一般規格
資料來源：www.delta.com.tw
至於ONU/ONT接收器(表6)中重要的參數如同OLT，包含輸入工作波長、接收靈敏度、最大輸入功率、資料輸出上升與下降時間、接收反射值及不同功率衰減下的誤碼率分布(表7)；同時，隨著不同等級的接收器也將有著不同數值的要求。另外，在接收器中訊號是以連續資料模式(Continuous Mode)形式來接收，為了區隔影像訊號以及日後維運的監控波長，一般會將1,550nm以上(含1,625nm)的波長濾掉。
表6 GPON ONT發送器一般規格
資料來源：www.nec.co.jp
表7 GEPON ONU接收器一般規格
資料來源：www.delta.com.tw
表8 GPON ONT接收器一般規格
上行突波模式測試至為關鍵
相較一般收發器連續模式的量測，PON收發器在下載的誤碼量測也具備相同量測方式；然而，關鍵就在於上行突波模式的測試及相關控制訊號的設定。如圖2所示，完整的PON接收器參數會以1×OLT對2×ONU/ONT的架構作驗證，透過可調衰減器以設定不同衰減程度來模擬兩個ONU/ONT至OLT的不同距離，進而驗證不同突波訊號對OLT之誤碼品質。在進行兩組突波訊號量測時，關鍵是必須將兩組突波訊號作同步或訊號的結合，再透過有效的突波模式欄位編輯，包含突波週期(Burst Cycle)、啟始期(Enable Period)、區間超時延遲(Gating Out Delay)、區間脈衝寬度(Gate Pulse Width)、保護區(Guard Time)以及相關的PON欄位，如前置碼(Preamble)、框架(Frame)、承載資料(Payload)等資料編輯。
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資料來源：安立知
圖2 PON收發器上行及下載測試架構 |
通常在編輯完成後，將會確認兩組突波模式的訊號格式，確認最小或最大突波訊號以及兩兩突波訊號之相關保護區是否有效(如圖2右上方)；在確認無誤後進入PON訊號各欄位資料的編輯(如圖2右下方)，而後將相關設定同步到兩組脈衝波形產生器(Pulse Pattern Generator, PPG)及錯誤偵測器(Error Detector, ED)以進行完整的誤碼分析。編輯軟體如圖3。分析時最主要以誤碼率為主，進而調整衰減值來驗證不同功率損失(Power Penalty)對誤碼的關係，如圖4所示。
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圖3 PON編輯軟體 |
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圖4 PON誤碼率量測 |
PON系統整合收發器量測嚴謹
相較單一收發器而言，PON系統電路板至少占據所有電路的95%，因此在進行系統整合時，若只是簡單地放入收發器於PON電路板上，將會造成相關測試參數上的挑戰，例如：訊號眼圖、光罩、誤碼率、ER值、輸出功率、輸入靈敏度及接收端的時脈恢復電路(Clock Data Recover, CDR)等皆依不同的匹配或電路處理有著不同的整體表現。
一般造成參數值不佳的原因包含：阻抗匹配問題、差異化電路布局(Layout)未依規定、電磁相容性(EMC)與電磁干擾(EMI)雜訊處理不良、接收端本地振盪時脈精確度不佳等，另外抖動雜訊過大，也會劣化單一收發器本身各種參數的數值。 因此，各種國內外PON系統標案中，無不針對系統的收發器特性參數嚴謹地要求必須達成的相關標準。以下將針對重要的PON系統收發器特性作一說明，同時也列出相關的測試架構及量測結果。
OLT於雙向單纖收發模組(Diplexer)量測要求下，其一般的輸出條件量測要求如下：
至於OLT在Diplexer輸入條件的一般量測要求如下：
而在ONU/ONT端，一般的輸出條件量測要求如下列項目：
ONU/ONT端的輸入條件，量測要求則包括：
光介面接頭清潔不容忽視
一般來說，在正式進行相關量測前，不論是實體層光、電測試亦或是流量及協定的驗證，光介面公及母接頭的清潔往往是量測品質最重要、但卻最容易忽略的項目，輕則產生偏差的量測結果、重則造成研發與生產人員浪費時間及資源。圖5的測試結果顯示在不同區域門檻值內通過及失敗的量測情形。目前較常使用USB連接電腦的方式，搭配不同待量測接頭以作快速遠端測試，並將量測結果自動記錄及輸出報表。
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圖5 光端面清潔檢查器 |
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輸出最大功率及最小接收靈敏度，將是PON營運業者網路規劃及施工重要的參考參數之一，它決定可否順利提供穩定的服務至用戶端。在OLT與ONU/ONT互連架構下，量測OLT及ONU/ONT個別直接輸出及輸入的光功率訊號；若透過分歧器時則須考慮相對應的衰減值。同時，藉由衰減器(Att.)的調整來量測接收端的靈敏度(圖6)，一直到上行及下行流量無法正常傳遞為止，其中的功率結果若能透過遠端控制及讀取，將對開發及產線更為便利。
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圖6 OLT與ONU/ONT光量測架構及量測結果 |
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漂移、波寬及雜訊過大的波長，將會影響到其他正常工作波長的運作，更會造成日後網路品質管理及障礙分析維運的干擾。一般在OLT與ONU/ONT互連架構下量測之間的波長訊號；建議使用二分四的分歧器，如此可以同時量測上行及下載的波長資訊。當進行Diplexer波長量測時，將會同時看到1,310nm及1,490nm波長的資訊。而若為Triplexer PON，則有三種波長資訊，並可進行相關參數的量測。而具備各種雷射(Laser)及其相關量測參數的儀器將有利於各種PON的快速量測(圖7)。
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圖7 OLT與ONU/ONT波長量測架構及量測結果 |
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眼圖訊號(圖8)是最真實顯示輸出訊號的品質，嚴格來說它的量測優先權是高於所有訊號效能，如光功率計、協定分析儀等。因為它可以反應出相關訊號在傳遞1、0品質、訊號上升/下降、抖動程度及是否符合國際標準光罩等規範。一般可分別針對OLT及ONU/ONT單獨量測眼圖相關參數，或依下列架構在互連環境下透過二分四分歧器作測試。除了前述的各項參數驗證之外，一般仍會針對交會、1及0品質、週期比例失真(Duty Cycle Distortion, DCD)、峰到峰抖動、均方根抖動值，水平及垂直直方統計圖(Histogram)等作綜合品質測試。
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圖8 OLT與ONU/ONT眼圖資訊量測架構及量測結果 |
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PON系統關鍵驗證項目多元
一般來說，為PON系統進行關鍵驗證的項目頗多，屈指數來就近十種，以下就一一為讀者介紹：
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此種屬於不同ONU/ONT距離至OLT之流量品質驗證，乃為配合不同用戶距離供裝的實際需求，驗證不同用戶同時使用產品流量的穩定性。一般經驗當ONU/ONT數目愈多時，將會影響傳輸品質，特別是上行的總流量、延遲及掉封包表現。對於不同距離的模擬，建議使用不同光纖的距離來作真實量測，對於線性的衰減色度色散(CD)與偏振模式色散(PMD)，以及非線性布里洛散射(SBS)和拉曼散射 (SRS)等效應皆能真實驗證；或使用可調衰減器作多樣化距離的量測。如圖9所示，上行與下載愈能達到100%的流量、低延遲及低掉封包率將愈好。
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圖9 PON系統距離測試架構及量測結果 |
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這項驗證能夠切換OLT控制卡板及新增或移除ONU/ONT，尤當版本升級或新增與移除用戶時，保障既有客戶之服務品質將是重要的驗證項目之一，也是此項測試的目的。如圖10說明，在維持一台OLT對四台ONU/ONT的架構下，由量測結果顯示，切換OLT控制卡板時將不得對任何ONU/ONT造成服務影響；而當新增或移除用戶時，也不能造成其他客戶的服務中斷。
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圖10 PON系統熱插拔測試架構及量測結果 |
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提供保密性及單一用戶多條多樣化服務的流量也將是PON重要的服務之一，如圖11所示，在一對四的PON架構下，至少須提供128VLAN Tag容量在其中網路。不論標示(Tagging)或非標示(Untagging)的設定，都必須符合不同客戶的服務需求，同時對於QinQ(Multi VLAN Tag)的要求，相信將是未來的趨勢驗證項目之一。
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圖11 PON系統VLAN驗証架構及量測結果 |
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針對貴賓(VIP)用戶或者付費較高的客戶而言，提供差別付費的服務是目前眾多網路具備的能力；特別是最大速率(Best Effort)的數據網路，更須提供依客戶不同需求服務權限，以滿足多樣化客戶的要求(圖12)。
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圖12 PON Priority驗証架構及量測結果 |
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具備愈多使用者同時上線能力的系統對營運業者而言當然更能有效節省戶本，但關鍵在於OLT是否會咬住舊登入資料而無法讓新用戶上線；因此本項測試則以此為目的，逐漸增加媒體存取控制(MAC)數量來驗證流量的穩定性(圖13)。
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圖13 PON MAC測試架構及量測結果 |
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不同用戶會隨著不同流量的需求而提出供貨需求，且將隨著各家業者價格策略而不一，因此，量測不同比例流量的穩定性相對就顯得格外重要，這也是此項驗證的目的，如圖14所示，在同樣的測試架構下，要求不同比例流量僅能有最大10%上下的誤差。
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資料來源：安立知
圖14 PON限速測試架構及量測結果 |
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不同等級的用戶，通常要求不同的服務層次，這也是服務品質(QoS)、服務水準協定(SLA)反應的重要項目，例如對高流量、低延遲與低抖動的要求(圖15)。測試架構與先前項目一樣，但多了OLT及ONU/ONT中間光層的協定驗證，以確認相關QoS有確認執行。
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資料來源：安立知
圖15 PON QoS測試架構及量測結果 |
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三合一(Triple Play)數位匯流關鍵流量之一就是IPTV的應用，故模擬不同頻道加入或離開(Join/ Leave)，不同用戶切換頻道的頻道切換(Channel Zapping)等能力即是驗證的重點之一。如圖16所示，一般OLT要求具備支援一百二十八組群組廣播(Multicast)流量；而ONU/ONT至少四組，同時驗證所有模擬流量表現的品質。
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資料來源：安立知
圖16 PON Multicast驗證架構及量測結果 |
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在PON協定功能驗證(圖17)中，可為多點控制協議(MPCP)、群播邏輯鏈路標識(LLID)、操作管理與維護(OAM)、CRC-8量測進行端對端(End to End)的方式作服務流量的驗證，唯獨此項是以OLT及ONU/ONT中間的光層為主。目的在驗證當OLT與ONU/ONT互連時，是否有認到所有指定的LLID參數；MAC控制的協定等數值是否正確；傳遞過程中是否有誤碼發生(CRC-8)，以及維運管理等參數驗證如當ONU/ONT斷電前會以微弱電力通知OLT的Dying Gasp參數。
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資料來源：安立知
圖17 PON協定驗證架構及量測結果 |
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綜合以上的量測參數及測試架構，對於PON收發器而言，是國內廠商比較容易進入的產品，但重點在於誰能夠快速並有效地改善產品良率以符合國際標準；同時，不論在何種價格下快速反應市場的不同需求。
而對於PON系統整合收發器的實體量測，反應出諸多業者不論是原始設備製造商(OEM)、原始設計製造商(ODM)或是自創品牌目前所遭遇的問題--依收發器上游供應商的量測參數當作系統整體品質；但卻苦於調整流量良率或不時在產品送樣及實地測試時沒能通過相關的品質驗證，這些問題皆來自最根本的測試問題：實體層電及光訊號的驗證，這也是一般網通業者的迷思，以熟悉的流量作驗證測試卻忽略了有效改善產品品質的基本問題；不過，隨著多家網通大廠遭遇到電信客戶的品質考驗後，驗證基本實體層的業者也愈來愈多了。