10Gb 以太網路元件測試解決方案

潘光平 Edward Pan

Agilent Taiwan

目錄

1. 簡介..................................................................................................................... 1

2. 10Gb/s 光收發模組模組結構及系統運作 ........................................................ 5

3. 安捷倫測試解決方案......................................................................................... 9

10Gb 以太網路元件測試解決方案

1

1. 簡介 在高速傳輸的世界裡，光纖網路扮演了極為重要的角色，從長距離（Long Hual）

光纖網路之傳輸一直到大都會（Metropolitan）網路傳輸的架構中，傳輸速率之

提升乃是革新的一大重點。近年來，由於長距離海底光纜元件的市場趨於飽和，

SONET 以及 SDH 的傳輸規範亦趨於穩定。所以不論是主動元件或是被動元件

的需求都不盡如從前。加上近年來無線網路傳輸的市場興起，造成大都會骨幹

網路頻寬需求之增加，所以 10Gbit 以太網路興起便成為其中一項重要的課題。

以往光通訊收發模組傳輸速率以 155Mb/s 為大宗，它支援 SONET 之 OC-3 之通

訊市場，以及低速之大樓網路傳輸系統。

在 10GbE 的世界裡，光收發模組則著重於 XAUI（介於實體層接近資料連接層

之中）的傳輸介面。其包裝乃是以 XENPAK 為其主流，亦有 XPAK 以及 X2PAK

之封裝模組。其傳輸之波長則分為 850nm 以及 1310nm 兩種。預計 10GbE 的興

起會帶動大都會網路之興起，傳輸速率的提升亦能提升被動元件的市場，例如

色散補償器（Dispersion Compensator），或是等位器（Equalizer）等元件之發展。

因為隨著傳輸速度之提升，光的色散現象必定成為造成誤碼率提升之關鍵，所

以光通訊市場是否能一掃以往之陰霾，就要看 10GbE 之市場是否能夠興起，這

是大家所期待的。本文先從 IEEE802.3ae 之規範談起，進而介紹 10Gb/s 光收發

器之特性，以及安捷倫在 10GbE 之完整量測解決方案。

2

EEE802.3ae 規範概述

就 OSI 網路七層之架構來說，10GbE 傳輸介面是介於實體層（Physical Layer）

以及資料連接層（Data Link Layer）之媒體處理控制層（MAC；Media Access

Control）之間的傳輸介面，稱之為 XAUI；發音為 zowie。由圖一便可清楚瞭解

XAUI 的架構：

圖一 XAUI 傳輸層之概述

10Gb 以太網路元件測試解決方案

3

XAUI之整體大意為 10G Attached Unit Interface，也就是連接 XGMII 層以及 XGXS

層之間之傳輸。根據 IEEE802.3ae 規格之規範又將實體層分為區域網路之實體層

（LAN PHY）以及廣域網路之實體層（WAN PHY），它所執行的標號可表示為：

“10GBASE-（X）（Y）”

X 代表 S, L, 或 E

S ：以 850 nm 為傳輸波長之系統

L ：以 1310 nm 為傳輸波長之系統

E ：以 1550nm 為傳輸波長之系統

Y 代表 R, W, 或 X

X 代表 8B/10B 之編碼（25% overhead）

R 代表 64B/66B 之編碼（about 3% overhead）

W 代表 STS-192 64B/66B SONET 之編碼系統

圖二為 10G 傳輸之系統示意圖。由於 10Gb/s 的傳輸速較快，所以通常採用四路

3.125Gb/s 經由多工器或解多工器將信號合成到 10Gb/s.以圖二中之示意圖可發

覺 XAUI 的傳輸介面是以四路之 3.125Gb/s 為主，經由多工器合成後，在經過

8B/10B 以及 64B/66B 編碼進而合成為 10Gb/s 的信號。整個過程將 MAC 層之封

包信號解碼，經由 XAUI 傳輸介面編碼成為實體層之信號傳送出去。

4

圖二 10G 傳輸示意圖

新版本之 IEEE802.3ae 在 2002 年的六月就已被正式發表了，而 10GbEthernet 是

由 GbEthernet 衍生出來的傳輸規範。在 10GbE 的光收發模組的傳輸中，IEEE 以

完整地規範出發射端以及接收端的量測法則，其中包含了以浴盆圖（ Bathtub

Curve ）來測試傳輸端的通訊品質，以及壓縮眼圖來測試接收端的靈敏度測試。

這些都有相當程度地複雜度，因為所需的測試設備居多，儀器的不確定性相對

地增加了量測之誤差。

10Gb 以太網路元件測試解決方案

5

2. 10Gb/s光收發模組模組結構及系統運

作

圖三 10Gb/s 光收發模組系列

10Gb/s 光收發模組之分類可分為 XENPAK、XPAK 以及 X2PAK 等三中以上的封

裝，大多數都是遵照多源協議（Multi-Source Agreement；MSA）以及 ITU 之規

範準則。圖四為其應用分類：

6

圖四 10Gb/s 光收發模組之應用分類

大多數 10Gb/s 光收發模組還是以研發階段為主，等到市場面的需求增加時才有

可能延伸至生產階段。以 300 PIN 的來說，還是以長距離（Long Hual）的傳輸

為主，且其規格是以 16 路之 622Mb/s 經由多工器和成為 10Gb/s 之訊號，另外伴

隨著 DWDM 分波道多工市場之發展。另外 XENPAK 則是目前最熱門的封裝方

式，其著重於大都會區域網路通訊為主。以四路 3.125Gb/s 合成 10Gb/s 訊號為

主。XPAK 則和 XANPAK 之差異性不大。另外 XFP 則是國內著重地另一個重點，

它的成本較低，應用的層面也較廣。

10Gb 以太網路元件測試解決方案

7

圖五 XANPAK 模組之示意圖

圖六 XENPAK 模組之詳細示意圖

8

圖五和圖六為 XENPAK 之詳細組織圖，由圖中可知模組內提供自身時鐘電路

（Self-Clock circuit），內頻為 156.25MHz，以提供內部多工器以及解多工器之運

作。另外 PCS 層可做自環電路以利做四路 XAUI 介面之電性測試。中間附有一

些 8B/10B 以及 64B/66B 編碼以及解碼之晶片組。到了前端則有半導體雷射以及

雷射之驅動電路，綜合以上之元件已構成 XENPAK 模組。

10Gb 以太網路元件測試解決方案

9

3. 安捷倫測試解決方案

對於 10Gb/s 光收發模組之測試，因為大多數是以多進一出的方式作量測，所以

傳統單一通道的誤碼率測試儀並不能完全地解決這種測試法則。而安捷倫公司

所推出的平行式誤碼率測試儀就能符合這樣的測試需求，今天的安捷倫也同時

完成了 10GbEthernet 測試完整解決方案，如圖七所示：

圖七 安捷倫針對 10GbE 的測試解決方案

10

ParBERT 81250 乃是使用的核心儀器之一，因為它是一套模組化，且可同時測

量不同速率之儀表。搭配多種的時鐘模組，便能同時量測 3.125Gb/s 以及 10Gb/s

的訊號。同時 81250 擁有強大的測試軟體以及 VXI 的測試介面，所以穩定性極

高，在一秒中之內即可同步所有之傳輸模組。安捷倫同時提供 10GbE 的測試板，

能相容所有市面上同一規格之 XENPAK 模組。附帶一提的是，平行式誤碼測試

儀可攜帶光輸入以及光輸出之傳輸模組，所以在測試迴路時不需要使用光電轉

換模組。這是一個非常重要的指標。圖八則是安捷倫 81250ParBERT 之模組系列。

圖八 81250 ParBERT 之模組系列

10Gb 以太網路元件測試解決方案

11

在測試 10Gb/s 之光收發器時，我們可選用四個 3.35Gb/s 之模組，包含四個傳輸

模組以及四個接收模組，同時搭配一個 10G 傳輸模組以及一個 10G 接收模組，

但這時候，必須使用兩個獨立之時鐘模組。因為 3.125G 和 10G 並無直接的倍數

關係。所以整個完整性測試規劃如圖九所示：

圖九 測試規劃示意圖

12

在測試的方法上，可分為直接迴路測試以及自環迴路測試兩種。在發射端則重

視演圖之量測，接收端則是重視靈敏度之測試。

圖十 直接迴路測試

10Gb 以太網路元件測試解決方案

13

圖十一 自環迴路測試

14

以直接迴路測試來說，先將四路之 3.125G 之號打入光收發模組，即可產生 10G

之光信號，再將光信號打入光電轉換器以形成 10G 之電信號，在電信號送至

ParBERT 10G 之接收模組即可完成。以自環迴路測試來說，先將光收發模組內

部的 PCS 層自環，然後利用 ParBERT 之四個 3.35G 之傳輸模組打出四個 3.125G

之發射訊號至光收發器，經過 PCS 層自環後又以四路之 3.125G 信號回到四個

3.35G 之接收模組即可完成測試。值得一提的是，這些測試都必須將光收發模

組內部之時鐘信號送入 ParBERT 之時鐘模組，如此一來，才能將代測物與系統

同步。

圖十二 傳輸色散測試

10Gb 以太網路元件測試解決方案

15

圖十三 接收端壓縮眼圖測試

另外 ParBERT 亦能做傳輸色散之測試（Transmitter Dispersion Penalty；TDP），只

要外加一個光衰減器，便可完成測試。若要測試接收端之壓縮眼（Stressed Eye）

之測試，可用 33250 函數產生器將其抖動信號輸入 ParBERT 之延遲輸入端

（Delay Control input），便可將演圖形成壓縮眼。進而進行接收端靈敏度之測試。

16

圖十四 Bathtub Curve 量測示意圖

由圖十四可知 ParBERT 還有一強大之功能便是以浴盆圖的方式解析出本質抖動

（Deterministic Jitter；DJ）以及隨機抖動（Random Jitter；RJ），可正確且精密地

將抖動分析出來，亦能將之資料與誤碼率做出比對，即可瞭解傳輸端之抖動特

性。

10Gb 以太網路元件測試解決方案

17

圖十五、Ethernet 框架產生器

另外，ParBERT 之軟體亦提供 10GbEthernet 之框架編輯，將該輸入的資料經由

編輯器選定，即可產生需要之資料格式。如圖十五所示：

18

圖十六 序列編輯器

圖十七 優化之系統編輯環境

10Gb 以太網路元件測試解決方案

19

圖十八 誤碼率測試結果

總而言之，從以上圖十八可知平行式誤碼儀可擁有完整的序列編輯器，可編輯

IEEE802.3ae 所規範的 CJPAT 以及 CRPAT，序列長度以及觸發位置都可加以編

輯。

亦擁有完整的系統編輯器以及誤碼率測試結果。所以安捷倫在 10GbE 的測試解

決方案以趨於成熟，特別是針對光通訊元件的廠商有一針見血的完整測試程序

以及流程報告。

台灣安捷倫科技股份有限公司

台北市 104 復興南路一段 2 號 8 樓

電話：（02）8772-5888

桃園縣平鎮市 324 高雙路 20 號

電話：（02）8772-5888

台中市 408 東興路一段 563 號

電話：（04）2472-6128

高雄市 802 四維三路 6 號 25 樓之 1

電話：（07）535-5035

亞太區顧客服務中心： 0800-047-866 台灣網站： ｗｗｗ.ａｇｉｌｅｎｔ.ｃｏｍ.ｔｗ

台灣安捷倫科技股份有限公司 電子儀器事業群 版權 c 2004 安捷倫科技股份有限公司

Printed in Taiwan 3/2004

Reference: antw031103