改善光電模組/系統流量品質　眼圖訊號分析功不可沒

目前一般做法皆透過軟體工程人員不斷地改善流量處理速度、頻寬設定及協定上的問題，但卻忽略了硬體改善的根本思考方向。國際網通大廠皆從實體層著手；而眾多實體層量測驗證的項目更是以眼圖訊號為一窺系統品質及相關改善的方向。因此，本文將說明眼圖基本驗證項目，並提出PON常見的問題提供PON系統研發廠商有效改善產品品質的驗證方向。  

訊號好壞一望可知　眼圖幫助大  

眼圖是高速訊號依據時間對累加1及0振幅的相對關係(圖1)。由兩個位元所組成的眼圖訊號，其中中間的一個位元是眼晴張開得以讓訊號順利通過的關鍵。一般而言，眼圖張得愈開，代表較佳的訊號品質及較低的誤碼率；反之，眼圖愈小即代表訊號品質愈差，也有較高的誤碼可能。眼圖兩邊的交叉點即代表訊號由0轉1及由1轉0的訊號轉換品質，如此將有益於分析訊號在振幅及時間上失真的損耗。

圖1　訊號眼圖

不同交叉比例關係傳遞不同訊號位準  

此外，由於眼圖交叉百分比，是量測交叉點振幅與訊號1及0位準之關係，因此不同交叉比例關係可傳遞不同訊號位準。舉例來說，一般標準的訊號其交叉百分比為50%，即代表訊號1及0各占一半的位準。為了量測其相關比率，使用的統計方式分析如圖2。交叉位準依據交叉點垂直統計的中心視窗而計算出來的平均值，其比例方程式如下：
100×[(交叉位準–0位準)/(1位準–0位準)]

圖2　眼圖訊號交叉點比例關係

其中的1及0位準是取眼圖中間的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位準的0%到1位準的100%分析相關水平軸，而一般對應縱軸即會呈現趨近50%的關係。  

隨著縱軸交叉點比例關係的不同，又代表著不同的訊號1或0傳遞品質之能耐。如圖3所示，左邊圖形為不同交叉比例關係的眼圖，對應到右邊相關的1及0脈衝訊號；同時，可以了解在不同脈衝訊號時間的寬度下，與眼圖交叉比例之關係。若分別以75%、50%及25%三種眼圖交叉比例作說明；其中75%所對應的1及0脈衝訊號顯示，特別對於待測物著重在1位準量測訊號品質時，1訊號脈衝的時間軸寬度大於0訊號脈衝，若以傳遞較多1位準訊號的流量而言，將會依此比例關係來驗證訊號誤碼、遮罩(Mask)及其極限值(Margin)。

圖3　不同眼圖交叉比例與脈衝訊號之關係

反之，若使用25%為驗證，依其所對應的1及0脈衝訊號顯示，0訊號脈衝的時間軸寬度將大於1訊號脈衝，即待測物著重在0位準量測訊號品質；或會傳遞較多0位準訊號的流量。過多的0訊號，一般容易造成接收端訊號不易從其中抽取時脈，導至無法同步，進而產生同步損失(Synchronous Loss)。對於一般的訊號而言，平均分布訊號位準1及0是最常見的，因此要求眼圖交叉比例為50%，即相同的訊號脈衝1與0長度標準，來作相關參數的驗證。眼圖比例關係的分布，可以有效地量測因不同1及0訊號位準的偏差所造成的相對應振幅損失分析。  

抖動品質攸關訊號好壞  

抖動品質是高速訊號最常驗證的項目，也是重要的量測參數之一，可有效驗證相對理想時間下的飄移情形。在計算抖動時，常以眼圖交叉點上升及下降邊緣的訊號對時間統計之分析方式作量測依據。如圖4所示，在所選取的區塊中進行抖動點對點(Jitter p-p)及抖動均方根值(Jitter RMS)之驗證；其中Jitter p-p是以所取選取區塊之統計寬度作為計算，而Jitter RMS是以平均分布標準差1奈秒作計算；而對應的真實抖動眼圖如圖4右方所示。

圖4　抖動量測基準

眼圖上升及下降時間影響訊號品質  

一般量測上升及下降時間，是以眼圖占20～80%的部分為主，其中上升時間如圖5，分別以左側交叉點左側(20%)至右側(80%)兩塊水平區間作此傳遞訊息上升斜率時間之換算。計算公式如下：
上升時間=平均(80%時間位準)－平均(20%時間位準)

圖5　眼圖訊號上升時間

而20%及80%是與訊號位準1及0有著相關性。當然，如果上升時間愈短，即愈能表現出眼圖中間的白色區塊，即代表可傳遞的訊號及容忍誤碼比率較好。 而對於眼圖下降時間(圖6)所示，分別以右側交叉點左側(80%)至右側(20%)兩塊水平區間作此訊息傳遞下降斜率時間之換算。計算公式如下：
下降時間=平均(20%時間位準)－平均(80%時間位準)

圖6　眼圖訊號下降時間

如同上升時間一般，如果下降時間愈短，亦愈能表現出眼圖中間的白色區塊，可以傳遞的訊號及容忍誤碼比率愈好。  

DCD為訊號傳遞重要觀察依據  

訊號循環失真比(Duty Cycle Distortion, DCD)是訊號1及0傳遞偏差比例觀察重要依據之一。DCD是量測在資料訊框(Pattern)傳遞中，脈衝寬度的變異對於一般正常值的差異比例關係，一般理想值為0，代表訊號1及0平均分布且傳遞脈衝寬度一致。如此的眼圖交叉點將位於50%的位置，其量測的方式是分別以50%為主的眼圖上升端及下降端時間差異，對應的公式如下：
訊號循環失真比=100×[眼圖上升及下降邊緣之間的時間差異@在50%位準/位元週期]  

上述公式又可以如圖7下方的公式表達。而在圖8中，特別將DCD的比例關係標示出來，隨著眼圖交叉比例75%、50%及25%的關係下，在75%的脈衝訊號中，1區間較0區間長，DCD的比例為14%；相對於25%的脈衝訊號中0區間較1區間長，同樣地DCD的比例也為14%；而在理想的條件下1及0具備相同長度，而DCD的比例關係則為0%。

圖7　DCD比例關係說明

圖8　DCD比例與脈衝訊號之關係

差動訊號有效判斷雜訊高低  

差動訊號是提供高速訊號傳遞過程中，雜訊免除或有效判斷位準排除雜訊的重要機制。然而整體的差動訊號品質，仍然需要一些分別或重組等方式來檢驗相關的訊號內容是否有偏差。如圖9 Ch1與Ch2兩個通道訊號的差動訊號所示，就上下眼圖之訊號並無太大之差異。進而將通道訊號作眼圖至脈衝訊號之轉換，並執行Ch1與Ch2的訊號相加與訊號相減的動作。在脈衝訊號重疊資訊中，差動訊號對應的關係良好，相減之訊號即為單一各脈衝訊號振幅的兩倍，且具備相關之脈衝寬度；而相加之訊號可以看出有一些在0位準之起伏高度或偏斜(Skew)。

圖9　DCD比例與脈衝訊號之關係

在前述標準正常的訊號下，若試著將差動訊號產生1個單位間隔(Unit Interval, UI)或稱1個資料位元的偏差。此時重疊後的眼圖如圖10所示，Ch1與Ch2兩個通道訊號已經明顯看得出來，但並沒有造成多大的損失；但若將其轉換成脈衝訊號時，就會發現訊號間的偏斜則嚴重起來。

圖10　具備偏差的差動訊號

同時，再將兩個通道訊號作兩兩相減及相加的比較，發現使用脈衝訊號之比對，將較容易判斷出訊號偏差的嚴重關係，特別是在差距大於1UI時。而在此較大差距之狀況下，將產生額外的位準在眼圖訊號的中間。主要的原因是幾項，包括：有25%之Ch1時間及Ch2皆為高，所以Ch1－Ch2等於中間之位準；有25%之Ch1時間及Ch2皆為低，所以Ch1－Ch2等於中間之位準；有25%之Ch1時間為高；但Ch2為低，所以Ch1－Ch2等於中間之位準；以及有25%之Ch1時間為低，但Ch2為高，所以Ch1－Ch2等於中間之位準。  

此相同之情形也同樣發生在Ch1＋h2時(圖11)，故重點在於，量測前儘可能地使差動訊號之偏差降至最小；或量測後改善偏差情形至最小。

圖11　具備偏差的差動訊號通道相加及相減

ER代表光訊號特定振幅失真參數表現  

光消比(Extinction Ratio, ER)代表在光訊號中特定振幅失真的參數表現，是量測較高位準下配合較佳誤碼率之訊號1及0位準間的比例關係。相關的計算公式如下：
光消比(dB)=10log₁₀[1位準/0位準]  

有如遮罩量測一般，相關的量測規範皆須符合國際標準建議的方式，例如量測此訊號時的眼圖必須使用四階Bessel-Thomson接收響應；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下作相關測試。圖12顯示此待測物之光消比數值為8.9dB，依經驗，一般PON光電模組元件約介於11～13dB，PON系統約為9～12dB；而目前也有國外乙太網路光纖被動網路(GPON)廠商要求此數值必須達17dB，且特別是在光電模組電路布局於系統中。

圖12　眼圖之光消比參數

利用眼圖遮罩　快速判斷訊號是否符合國際標準  

依據不同產品別所制訂的國際標準，有著不同眼圖遮罩之要求，在PON系統中，分別以IEEE 802.3ah及ITU-T G.984.2的要求為主，如圖13所示，在左方為一般正常量測方式，經過一定時間或訊號位元傳遞(Hit Rate)下，測試訊號能否通過遮罩之考驗。而右方的測試則是通過遮罩驗證後，再進行相關最大遮罩極限(Margin)之測試，而能超過標準遮罩的比例愈大愈好。

圖13　眼圖之光消比參數

PON系統訊號眼圖問題仍多  

在實務經驗中，若發生PON訊號眼圖無法如圖14正常呈現，一般可能發生的原因包括：時脈訊號輸入有誤，也就是眼圖儀器並沒有正常取得相對應的時脈訊號，故在輸入訊號的速率上也不正確，如圖14左上方對GPON光纖網路終端(ONT)的接收訊號並非呈現2.488Gbit/s，故必須檢查儀器對時脈及訊號之設定，如輸入比例、波長選取正確性、正確四階Bessel-Thomson濾波器(BTF)配置、合適訊號位準之輸入。

圖14　沒有眼圖訊號問題

另一個造成PON訊號眼圖無法正常呈現的原因，也可能是沒有取得真正突波(Burst)模式的時脈訊號，特別對於突波模式的訊號而言，完整的週期包含主要傳遞資料(Overhead及Payload)，以及沒有傳遞資料的保護區(Guard Time)，而下一筆突波模式的訊號再次傳遞訊息時如何被眼圖儀器抓到，就成為在資料輸入的同時，再配合觸發時脈相當重要的問題；否則眼圖儀器必須支援突波模式的時脈恢復模組(CDR)。  

另外常發生的問題是，訊號位準1或0過粗。如圖15所示，訊號位準1較0厚實，代表1位元所傳遞的訊號其位準不一致。如圖16所示，面對較粗的1及0訊號位準時，立即切換至脈衝訊號，將可快速判斷問題來源。

圖15　眼圖訊號位準問題

圖16　眼圖訊號及脈衝位準問題

一般發現，造成位準較粗的原因，來自於每一個位元振幅及位準的偏差，或是因為有效截取訊框元件的不足，所造成不完整眼圖的資訊，或訊號失真及偏差所引起。可分別加強1或0位元的數量來進一步分析電路設計或元件的品質分析能力，同時選取準確的訊框長度作完整之眼圖測試。  

常見的眼圖訊號明顯抖動問題，是指訊號在作位準轉態時，相對其理想時間之偏移量。由眼圖交叉點為中心，可以看到不論是上升或下降的訊號，皆有兩條明顯的曲線(圖17)，當週期性的抖動訊號愈嚴重或擴大時，將會影響到誤碼率的品質及遮罩之要求。在量測PON系統時，多專注在最大Jitter p-p及Jitter RMS，以有效確認有無符合量測之要求。如較佳的Jitter p-p將小於100微微秒，Jitter RMS小於15微微秒。而對於不同呈現的抖動曲線統計分布，亦可有效判別是訊號位準1及0或訊框格式或雜訊等干擾來源，並依此作進一步電路改善參考。

圖17　眼圖訊號抖動問題

在國際電信營運商及相關服務業者全力建置下，國內PON系統提供網通業者正如火如荼地進行相關開發專案。其中改善流量品質之對策，已經陸續由數據及應用流量及軟體的層面，漸漸朝向硬體根本改善之道，不論從基本光功率、光訊號頻譜，亦或是眼圖訊號儀器作測試，皆是相當重要的品質驗證參數之一。值得注意的是，並非單一上游光電模組元件符合規格條件，即代表整體系統也必然一定符合，這項迷思，不論是提供插拔式的光電模組，或是將光電模組電路直接布局在PON系統皆同。而透過眼圖分析相關光電訊號參數，將有效地協助研發人員在實體層不同電路、晶片處理或相關雜訊之改善，是協助提升整體系統品質的重要關鍵。  

(本文圖片資料由安立知提供)