乙太網路邁向100Gbit/s大關
實體層測試挑戰不容輕忽

40G/100G乙太網路標準概觀

國際電子電機工程師協會(IEEE)已在IEEE 802.3ba標準中定義出40G和100G乙太網路應滿足的規範條件，如須支援全雙工操作且保存標準802.3媒體存取控制(MAC)的框架格式，包括當前最大值與最小值的框架大小等。  

此外，IEEE 802.3ba標準亦規定40G/100G乙太網路的MAC/PHY介面誤碼率(BER)要低於10-12。這兩種傳輸速率分別用在不同的網路應用情境：40G乙太網路主要針對伺服器到交換器間的應用，而100G乙太網路則是擔任骨幹網路的角色，以容納由各處匯集而來的網路流量。由於兩者的應用目標各異，因此標準要求也略有不同。  

從表1可以看出，針對各種不同的傳輸媒介，實體層設計必須滿足不同的規格要求，就如同其他先前的高速乙太網路規範一樣。802.3ba是利用多重訊號的技術來實現超高速傳輸，例如在100G光纖乙太網的設計中，其實體層利用四個不同波長的光波同時傳遞訊號，才能實現100Gbit/s的通訊頻寬。但若是以銅纜為傳輸媒介，實體層就必須以10個頻寬為10Gbit/s的通道來進行同步傳輸。

然而，IEEE對40G/100G乙太網路的標準規範，只是一個相當簡略的框架，因此IEEE之後又與其他規範制訂團體和企業組織合作，以補充802.3ba規範的不足。其中以和國際電信聯盟(ITU) 第十五研究小組(Study Group 15)合作制定的標準最為重要。該小組先前曾經制定過數位用戶迴路(DSL)、被動光纖網路(PON)和光纖傳輸網路(OTN)等重要標準，例如ITU-T Standard G.709 便定義了OTN實體介面如訊框結構、多路傳輸、封包編排(Mapping)等標準。40G和100G乙太網路實體層規範的關鍵，也是採用ITU建立的波長分割多工(WDM)數據傳輸方式。ITU與IEEE間相互合作，允許電信網路骨幹與區域網路應用利用基礎技術相容的優點互取所長。  

根據802.3ba標準的規範推算，在40G/100G乙太網路的MAC層操作中，約有12%的頻寬負載給非封包元素如訊框標頭(Frame Header)、向前糾錯(FEC)編碼等，因此40G/100G乙太網路的封包經常成本(Overhead)約在12%左右。此外，ONT實體層元件和模組測試設備須具備28Gbit/s訊號傳輸率的支援能力。此外，關於數據編碼與框架的內容，實體層規範必須定義訊號標準給每個不同介質。訊號標準定義數據傳送器與接收器如何將線性訊號判斷其正確的位元值。  

光纖互連論壇(Optical Interconnecting Forum, OIF)是制定光學介面標準的產業組織。該組織會推薦一些技術規格標準以提升網路互通性。此外，該組織亦推薦部分挑戰高速訊號傳輸的背板規格。在光學調變部分，100G乙太網路使用OIF推薦的一種特殊光學調變模組計畫--DP-QPSK(Dual Polarization-Quadrature Phase Shift Keying)。

調變機制有助沿用既存光纜

採用上述單一標準的光學調變方案解決了許多問題。對於光學元件製造商來說，可以只生產單類型的產品給更多的客戶；對於系統製造商而言，一個共同標準的調變技術的出現，可以擴大經濟規模，降低光學元件和實體層模組成本；對於系統運營商來說，單一的調變方式可以讓不同的系統供應商所生產的設備便於互通。  

事實上，如果是數據傳輸速率較低的系統設計，光通訊產業早已發展出利用簡單的2位元訊號來產生光學鏈路的機制，例如70或是80年代就已布建好的光纖網路，便是典型的低數據傳輸速率系統。但也由於當時所埋設的光纖有傳輸速率的限制，所以光通訊產業要利用現有的光纖線路來進行高速訊號傳輸時，只能求助於原本用在類比射頻(RF)通訊上的調變技術。畢竟，要電信業者重新鋪設大容量的光纖以滿足不斷增加的數據傳輸量是不切實際的。  

目前業界已透過將二進制碼轉換成調變訊號的做法，讓數據資料可以100Gbit/s的速度傳送約3公里遠，超過此一距離，如無特殊補償機制，偏振膜色散(PMD)和色散(CD)等物理效應便會使訊號劣化到無法讀取。  

如DP-QPSK等調變機制允許實體層元件在同一個符元(Symbol)內傳輸和接收多重位元，這項特性使得設計人員可利用較低的傳輸頻寬來提供較大的數據傳輸量。若是只局限在私人網域，傳輸線路兩端可使用相同製造商所製造的元件，因此特別的調變機制所造成的問題不大，但若是公共網域應用，使用者採用不同廠商所製造的元件進行連結時，共通的調變機制就是互通性的基礎。

多通道/同步串流考驗量測設備能力

為了加強高速網路數據傳輸能力，設計人員必須在通訊封包中加入向前糾錯機制。向前糾錯的編解碼是產生與辨識測試訊號的基礎。  

支援100G乙太網路長距離測試的測試儀器須具備可測試100Gbit/s DP-QPSK調變訊號收發的能力(圖1)。若待測系統為100G乙太網路，則測試儀器會產生四個同步的25Gbit/s資料封包串流；若是40G乙太網路，則測試儀器須具備進行兩個同步的20Gbit/s資料封包串流的能力。

圖1　DQPSK輸入範例

在這兩種應用的測試中，測試系統必須具備足夠的靈活性，以允許測試者利用位元圖樣(Bit Pattern)及調變的相位與頻率進行試驗，以計算調變通道的邊際(Margins)範圍。此外，測試環境必須可測試多通道串流，並充當接收器或傳輸器來測試系統的收發功能。在某些特定情況下，毋須讓每個通道的位元串流資料獨立，測試人員可利用射頻分歧器(RF Splitter)來做訊號分流。  

在測試40G或100G乙太網路時，通常建議使用者選擇14G～28Gbit/s測試設備，因為這類測試設備能夠改變光子介面的工作點。有些光調變器驅動器可產生的最佳交叉點並不是在50%的位置，若測試儀器可以在20～80%的範圍內調整正常訊號振幅的交叉點，讓測試工程師可調整驅動訊號，使其與光調變器的固有特性相配合，工程師即可更精確地掌握實體層真正的效能邊際範圍。  

基板材質形成傳輸瓶頸  

另一個與此系統應用相關的領域為銅線內部互連(Copper Interconnect)，常見於FR4基板上的內部系統的通訊連結電路。根據以往OIF共通電子介面(Common Electrical Interface, CEI)中的電氣與抖動(Electrical and Jitter)互通協定規範，在一定的傳輸距離內，FR4線路所能支援的通訊頻寬極限值為11Gbit/s。  

OIF目前正試圖將傳輸速率的極限提升到20Gbit/s，甚至25Gbit/s。但FR4是一種高損耗的材質，所以越來越多製造商開始使用新的印刷電路板(PCB)材料，以實現傳輸更快的傳輸速率。因此，系統製造商若想在基板上實現20Gbit/s的通訊通道，不能不考慮到PCB高頻效能有限的限制。為了克服材料的限制，製造商可以將訊號做預加重(Pre-emphasis)處理，特別是在雙向饋線的設計中，預加重處理可以減少串音(Crosstalk)對訊號的影響。  

當訊號達到20G或25Gbit/s傳輸率時，開始有許多訊號完整度的問題必須考慮，且隨著訊號傳輸率的增加，對於訊號完整度的重要性也日益提升。在產品量產前，工程人員必須注意在PCB板上每一對差動訊號線的表現是否符合標準。工程人員進行設計工作時，必須透過精密的量測來確保電路的效能表現，如果只是盲目地進行電路設計，卻沒有輔以量測驗證，其所設計出來的電路不太可能有足夠的效能表現。對產品開發日程表和預算而言，測試板修正週期所付出的代價是非常昂貴的。  

此外，隨著電路設計因為寬頻訊號匯排流複雜度增加，電路的阻抗匹配也將變得更困難，因為必要的繞線規畫會導致平行線傳輸長度之間的不匹配，進而導致反射(Reflections)、振鈴(Ringing)和串音等干擾現象增加。  

銅線的路徑長度也會導致通道間的時滯現象更嚴重，因為差動訊號的傳輸導線不等長，會造成相位差出現。好的電路測試可以讓設計者在量產之前，確認基板的效能是否在可接受範圍內。  

PRBS訊號/編程能力為評估儀器之關鍵  

根據不同的應用系統，特別是光驅動元件，通訊訊號的振幅可能會高達3.5伏特。測試儀器為了驗證系統及其零組件，必須在全速數據傳輸速率下可以達到3.5伏特訊號振幅及多重訊號的相對相位調整。更具體地說，測試儀器須具有高振幅訊號輸出能力與多通道的高速脈衝圖樣產生器(Pulse Pattern Generator, PPG)架構。  

不論在任何速率下，都可以產生真的偽隨機編碼序列(Pseudorandom Binary Sequences, PRBS)訊號與可自我任意編輯訊號的能力是非常重要的，因為ITU-T O.150和O.151(PRBS-7或PRBS-31)這兩項標準是常被用來測試協定規範的方法，目前市面上有些方案是利用低速率的訊號多工成高速率的訊號，若多工程序出現錯誤，就無法產生真正的PRBS訊號，因此ITU-T並不建議採用這種方法。  

光調變器的測試比較關切的是通訊通道內實體層的表現，例如在不同的極化現象下系統的穩定度、訊號調變的互通性和預編碼(Pre-coding)在光纖上降低傳輸損耗的效果。儀器必須可獨立產生兩個訊號，然後PPG必須可以控制兩個獨立訊號通道的相位位移和產生可編輯的訊號封包，以評估串音所帶來的巨大影響與訊號調變產生的效益。  

通道失效與類比行為息息相關  

光纖接收器必須從所接收到的訊號中抽取時脈訊號。接收器讀取輸入的數據流--隨機分布的1和0訊號來辨識節奏。時脈資料回復(CDR)電路檢查原始的訊號，辨識其節奏後產生內部接收通道的時脈，讓系統當作判別訊號的依據。只要0和1的數量相當，CDR是可以正常工作的，但是在高速通訊連結中，NRZ(Non-return to Zero)訊號包含一長串的0或1是很常見的，若是這一長串0或1的長度夠長，將會影響CDR的時脈產生功能正常運作。  

這是一個簡單的圖樣依存(Pattern-dependent)錯誤機制例子。為了預防接收通道產生此類的錯誤，一些調變協定不允許0或1的串流長度超過規定值。除了連續的0或1串流外，轉變錯誤(Transition Errors)、非轉變錯誤(Non-transition Errors)、編碼插入錯誤(Code-insertion Errors)和編碼遺漏錯誤(Code-omission Errors)都屬於通道失效模式。為了測試40G或100G乙太網路系統，測試系統必須具備在28Gbit/s速率下產生、恢復和分析雙通道差動訊號的能力。.  

測試環境應該簡化解釋測試結果的程序和轉換被搜集的訊息，並由測試系統或訊號參數調整通訊鏈路的物理特性。例如遺漏錯誤和插入錯誤可能是臨界值偏移(Threshold Offset)所造成的結果，而同樣的錯誤出現在特定狀態、轉換或交替式通道裡的訊號上，也表示系統可能受到串音干擾。  

值得注意的是，大部分通道失效模式源於類比行為。這一概念的通訊通道是一種數據訊號傳輸機制。在實體層中，無論是電子脈衝通過銅纜或銅線，或光的脈衝訊號通過光纖鏈路，這些訊號都是一種類比現象。為此，業界已發展出許多方法，來改善高速實體層電路和高頻設計的訊號條件。其中改善一個高頻訊號條件的方法是預加重，亦即在訊號的0與1的轉換過程中，刻意加重轉換後的每個起始位元的位準(圖2)。

圖2　預加重訊號範例

系統採用預加重處理可解決兩種類型的問題，首先是通道雜訊干擾的問題，並連帶將頻譜平坦度的需求考慮進序；其次則是克服通道頻寬的瓶頸。事實上，電視音響、無線電廣播和地面模擬音頻記錄系統都利用這種方式來做傳輸。透過提高訊號的高頻內容傳送訊號通過通道，接收器可以衰減掉相同數額高頻能量。接收器可透過互相去加重(De-emphasis)的過程恢復原始訊號的頻譜特性，並且讓通道雜訊的情況顯著降低。  

在突破通道頻寬瓶頸部分，不管傳輸的介質為銅(銅互連)或是光纖，都存在通道頻寬的限制。預加重除了可以補償廣播的高頻衰減外，也可以補償互連介質所產生的高頻衰減，且在第二種情況下，接收方不須執行去加重。工程人員只要觀察訊號傳送一段距離後的眼圖，就可清楚看出預加重對材料損失的補償效果。至於預加重之所以能補償材質損失，主要是因為可顯著降低在符元間干擾(Inter-symbol Interference, ISI)所引起的失真現象。  

超高速通訊標準帶動量測需求  

隨著IEEE 802.3ba等次世代超高速通訊標準如雨後春筍般冒出，電路內部數據互連與外部訊號傳輸速率勢必會越來越快速，同時為研發與生產人員帶來更艱難的挑戰。可支援不同傳輸速率、訊號強度與訊號格式的量測設備，將在未來的系統開發設計中，扮演更吃重的角色。

(本文作者任職於安立知)