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【通往5G新時代】前瞻高速傳輸技術大未來
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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。

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