改善光电模块/系统流量质量　眼 信号分析功不可没

文．冯国璋

 
设备厂商验证无源光网络(PON)系统的优先级，通常是使用数据流量的方式来快速测试系统质量好坏。但通常结局只有两种，一是顺利通过流量质量、延迟或其它封包测试，二则是花费了许多除错的时间仍找不到改善质量的关键因素。
 
目前一般做法皆透过软件工程人员不断地改善流量处理速度、频宽设定及协议上的问题，但却忽略了硬件改善的根本思考方向。国际设备大厂皆从物理层着手；而众多物理层测量验证的项目更是以眼图信号为一窥系统质量及相关改善的方向。因此，本文将说明眼图基本验证项目，并提出PON常见的问题提供PON系统研发厂商有效改善产品质量的验证方向。 

信号好坏一望可知　眼图帮助大 

眼图是高速信号依据时间对累加1及0振幅的相对关系(图1)。由两个位所组成的眼图信号，其中中间的一个位是眼晴张开得以让信号顺利通过的关键。一般而言，眼图张得愈开，代表较佳的信号质量及较低的误码率；反之，眼图愈小即代表信号质量愈差，也有较高的误码可能。眼图两边的交叉点即代表信号由0转1及由1转0的信号转换质量，如此将有益于分析信号在振幅及时间上失真的损耗。

 
图1　信号眼图

不同交叉比例关系传递不同信号位准 

此外，由于眼图交叉百分比，是测量交叉点振幅与信号1及0位准之关系，因此不同交叉比例关系可传递不同信号位准。举例来说，一般标准的信号其交叉百分比为50%，即代表信号1及0各占一半的位准。为了测量其相关比率，使用的统计方式分析如图2。交叉位准依据交叉点垂直统计的中心窗口而计算出来的平均值，其比例方程式如下：
100×[(交叉位准–0位准)/(1位准–0位准)]

 
图2　眼图信号交叉点比例关系

其中的1及0位准是取眼图中间的20%为其平均值，即从40～60%中作换算；而最终眼图交叉比例即从0位准的0%到1位准的100%分析相关水平轴，而一般对应纵轴即会呈现趋近50%的关系。 

随着纵轴交叉点比例关系的不同，又代表着不同的信号1或0传递质量之能耐。如图3所示，左边图形为不同交叉比例关系的眼图，对应到右边相关的1及0脉冲信号；同时，可以了解在不同脉冲信号时间的宽度下，与眼图交叉比例之关系。若分别以75%、50%及25%三种眼图交叉比例作说明；其中75%所对应的1及0脉冲信号显示，特别对于待测物着重在1位准测量信号质量时，1信号脉冲的时间轴宽度大于0信号脉冲，若以传递较多1位准信号的流量而言，将会依此比例关系来验证信号误码、屏蔽(Mask)及其极限值(Margin)。

 
图3　不同眼图交叉比例与脉冲信号之关系

反之，若使用25%为验证，依其所对应的1及0脉冲信号显示，0信号脉冲的时间轴宽度将大于1信号脉冲，即待测物着重在0位准测量信号质量；或会传递较多0位准信号的流量。过多的0信号，一般容易造成接收端信号不易从其中抽取频率，导至无法同步，进而产生同步损失(Synchronous Loss)。对于一般的信号而言，平均分布信号位准1及0是最常见的，因此要求眼图交叉比例为50%，即相同的信号脉冲1与0长度标准，来作相关参数的验证。眼图比例关系的分布，可以有效地测量因不同1及0信号位准的偏差所造成的相对应振幅损失分析。 

抖动质量攸关信号好坏 

抖动质量是高速信号最常验证的项目，也是重要的测量参数之一，可有效验证相对理想时间下的飘移情形。在计算抖动时，常以眼图交叉点上升及下降边缘的信号对时间统计之分析方式作测量依据。如图4所示，在所选取的区块中进行抖动点对点(Jitter p-p)及抖动均方根值(Jitter RMS)之验证；其中Jitter p-p是以所取选取区块之统计宽度作为计算，而Jitter RMS是以平均分布标准差1奈秒作计算；而对应的真实抖动眼图如图4右方所示。

 
图4　抖动测量基准

眼图上升及下降时间影响信号质量 

一般测量上升及下降时间，是以眼图占20～80%的部分为主，其中上升时间如图5，分别以左侧交叉点左侧(20%)至右侧(80%)两块水平区间作此传递讯息上升斜率时间之换算。计算公式如下：
上升时间=平均(80%时间位准)－平均(20%时间位准)

 
图5　眼图信号上升时间

而20%及80%是与信号位准1及0有着相关性。当然，如果上升时间愈短，即愈能表现出眼图中间的白色区块，即代表可传递的信号及容忍误码比率较好。 而对于眼图下降时间(图6)所示，分别以右侧交叉点左侧(80%)至右侧(20%)两块水平区间作此讯息传递下降斜率时间之换算。计算公式如下：
下降时间=平均(20%时间位准)－平均(80%时间位准)

图6　眼图信号下降时间

如同上升时间一般，如果下降时间愈短，亦愈能表现出眼图中间的白色区块，可以传递的信号及容忍误码比率愈好。 

DCD为信号传递重要观察依据 

信号循环失真比(Duty Cycle Distortion, DCD)是信号1及0传递偏差比例观察重要依据之一。DCD是测量在数据讯框(Pattern)传递中，脉冲宽度的变异对于一般正常值的差异比例关系，一般理想值为0，代表信号1及0平均分布且传递脉冲宽度一致。如此的眼图交叉点将位于50%的位置，其测量的方式是分别以50%为主的眼图上升端及下降端时间差异，对应的公式如下：
信号循环失真比=100×[眼图上升及下降边缘之间的时间差异@在50%位准/位周期] 

上述公式又可以如图7下方的公式表达。而在图8中，特别将DCD的比例关系标示出来，随着眼图交叉比例75%、50%及25%的关系下，在75%的脉冲信号中，1区间较0区间长，DCD的比例为14%；相对于25%的脉冲信号中0区间较1区间长，同样地DCD的比例也为14%；而在理想的条件下1及0具备相同长度，而DCD的比例关系则为0%。

 
图7　DCD比例关系说明

 
图8　DCD比例与脉冲信号之关系

差动信号有效判断噪声高低 

差动信号是提供高速信号传递过程中，噪声免除或有效判断位准排除噪声的重要机制。然而整体的差动信号质量，仍然需要一些分别或重组等方式来检验相关的信号内容是否有偏差。如图9 Ch1与Ch2两个信道信号的差动信号所示，就上下眼图之信号并无太大之差异。进而将信道信号作眼图至脉冲信号之转换，并执行Ch1与Ch2的信号相加与信号相减的动作。在脉冲信号重迭信息中，差动信号对应的关系良好，相减之信号即为单一各脉冲信号振幅的两倍，且具备相关之脉冲宽度；而相加之信号可以看出有一些在0位准之起伏高度或偏斜(Skew)。

 
图9　DCD比例与脉冲信号之关系

在前述标准正常的信号下，若试着将差动信号产生1个单位间隔(Unit Interval, UI)或称1个数据位的偏差。此时重迭后的眼图如图10所示，Ch1与Ch2两个信道信号已经明显看得出来，但并没有造成多大的损失；但若将其转换成脉冲信号时，就会发现信号间的偏斜则严重起来。

 
图10　具备偏差的差动信号

同时，再将两个信道信号作两两相减及相加的比较，发现使用脉冲信号之比对，将较容易判断出信号偏差的严重关系，特别是在差距大于1UI时。而在此较大差距之状况下，将产生额外的位准在眼图信号的中间。主要的原因是几项，包括：有25%之Ch1时间及Ch2皆为高，所以Ch1－Ch2等于中间之位准；有25%之Ch1时间及Ch2皆为低，所以Ch1－Ch2等于中间之位准；有25%之Ch1时间为高；但Ch2为低，所以Ch1－Ch2等于中间之位准；以及有25%之Ch1时间为低，但Ch2为高，所以Ch1－Ch2等于中间之位准。 

此相同之情形也同样发生在Ch1＋h2时(图11)，故重点在于，测量前尽可能地使差动信号之偏差降至最小；或测量后改善偏差情形至最小。

 
图11　具备偏差的差动信号信道相加及相减

ER代表光信号特定振幅失真参数表现 

光消比(Extinction Ratio, ER)代表在光信号中特定振幅失真的参数表现，是测量较高位准下配合较佳误码率之信号1及0位准间的比例关系。相关的计算公式如下：
光消比(dB)=10log10[1位准/0位准] 

有如屏蔽测量一般，相关的测量规范皆须符合国际标准建议的方式，例如测量此信号时的眼图必须使用四阶Bessel-Thomson接收响应；而3dB的截止频率为3/4×速率。此要求目的是确保所有的传送端皆在近似之接收响应下作相关测试。图12显示此待测物之光消比数值为8.9dB，依经验，一般PON光电模块组件约介于11～13dB，PON系统约为9～12dB；而目前也有国外以太网络光纤被动网络(GPON)厂商要求此数值必须达17dB，且特别是在光电模块电路布局于系统中。

 
图12　眼图之光消比参数

利用眼图屏蔽　快速判断信号是否符合国际标准 

依据不同产品别所制订的国际标准，有着不同眼图屏蔽之要求，在PON系统中，分别以IEEE 802.3ah及ITU-T G.984.2的要求为主，如图13所示，在左方为一般正常测量方式，经过一定时间或信号位传递(Hit Rate)下，测试信号能否通过屏蔽之考验。而右方的测试则是通过屏蔽验证后，再进行相关最大屏蔽极限(Margin)之测试，而能超过标准屏蔽的比例愈大愈好。

 
图13　眼图之光消比参数

PON系统信号眼图问题仍多 

在实务经验中，若发生PON信号眼图无法如图14正常呈现，一般可能发生的原因包括：频率信号输入有误，也就是眼图仪器并没有正常取得相对应的频率信号，故在输入信号的速率上也不正确，如图14左上方对GPON光网络终端(ONT)的接收信号并非呈现2.488Gbit/s，故必须检查仪器对频率及信号之设定，如输入比例、波长选取正确性、正确四阶Bessel-Thomson滤波器(BTF)配置、合适信号位准之输入。

 
图14　没有眼图信号问题

另一个造成PON信号眼图无法正常呈现的原因，也可能是没有取得真正突波(Burst)模式的频率信号，特别对于突波模式的信号而言，完整的周期包含主要传递数据(Overhead及Payload)，以及没有传递数据的保护区(Guard Time)，而下一笔突波模式的信号再次传递讯息时如何被眼图仪器抓到，就成为在数据输入的同时，再配合触发频率相当重要的问题；否则眼图仪器必须支持突波模式的频率恢复模块(CDR)。 

另外常发生的问题是，信号位准1或0过粗。如图15所示，信号位准1较0厚实，代表1位所传递的信号其位准不一致。如图16所示，面对较粗的1及0信号位准时，立即切换至脉冲信号，将可快速判断问题来源。

 
图15　眼图信号位准问题

 
图16　眼图信号及脉冲位准问题

一般发现，造成位准较粗的原因，来自于每一个位振幅及位准的偏差，或是因为有效截取讯框组件的不足，所造成不完整眼图的信息，或信号失真及偏差所引起。可分别加强1或0位的数量来进一步分析电路设计或组件的质量分析能力，同时选取准确的讯框长度作完整之眼图测试。 

常见的眼图信号明显抖动问题，是指信号在作位准转态时，相对其理想时间之偏移量。由眼图交叉点为中心，可以看到不论是上升或下降的信号，皆有两条明显的曲线(图17)，当周期性的抖动信号愈严重或扩大时，将会影响到误码率的质量及屏蔽之要求。在测量PON系统时，多专注在最大Jitter p-p及Jitter RMS，以有效确认有无符合测量之要求。如较佳的Jitter p-p将小于100微微秒，Jitter RMS小于15微微秒。而对于不同呈现的抖动曲线统计分布，亦可有效判别是信号位准1及0或讯框格式或噪声等干扰来源，并依此作进一步电路改善参考。

 
图17　眼图信号抖动问题

在国际电信运营商及相关服务业者全力建置下，国内PON系统开发商正如火如荼地进行相关开发项目。其中改善流量质量之对策，已经陆续由数据及应用流量及软件的层面，渐渐朝向硬件根本改善之道，不论从基本光功率、光信号频谱，亦或是眼图信号仪器作测试，皆是相当重要的质量验证参数之一。值得注意的是，并非单一上游光电模块组件符合规格条件，即代表整体系统也必然一定符合，这项迷思，不论是提供插拔式的光电模块，或是将光电模块电路直接布局在PON系统皆同。而透过眼图分析相关光电信号参数，将有效地协助研发人员在物理层不同电路、芯片处理或相关噪声的改善，是协助提升整体系统质量的重要关键。 

(本文图片数据由安立知提供)