100 Gb/s通信系統(tǒng)物理層測試應(yīng)用指南

1. 引言

在過去十年中，大量的帶寬密集型應(yīng)用迅猛增長。影視點播、IP語音、云計算和存儲技術(shù)對帶寬的胃口非常大，這些技術(shù)推動了100 Gb/s技術(shù)的部署。

高速串行(HSS)技術(shù)的強(qiáng)大動力、其抗噪聲差分信令及抗抖動嵌入式時鐘、外加眼圖閉合均衡功能，在以前想象不到的印刷電路板(PCB)長度上實現(xiàn)了25+ Gb/s的速率。把多條并行的HSS鏈路結(jié)合在一起，簡化了把100G信號傳輸?shù)焦饨涌谑瞻l(fā)機(jī)的過程，可以簡便地連接到光纖骨干上。其結(jié)果，許多數(shù)據(jù)通信技術(shù)和電信技術(shù)正在使用100 Gb以太網(wǎng)(100 GbE)傳輸信號，包括SAS、Infiniband、乃至光纖通道，其甚至正在替代古老的SONET/SDH。

業(yè)內(nèi)正在爭相部署100G技術(shù)，但在25+ Gb/s速率下整個行業(yè)的經(jīng)驗不足，因此更需要了解波形與數(shù)字信號誤碼率(BER)的關(guān)系。比如，25 Gb/s下的位周期是40 ps，抖動預(yù)算幾乎消失，3 ps的隨機(jī)抖動使眼圖閉合，新興標(biāo)準(zhǔn)允許的RJ一般低于700 fs。

本應(yīng)用指南涵蓋了裝配100G系統(tǒng)必需的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)測試。由于每種25+ Gb/s HSS技術(shù)都有共同的主題，因此我們將考察100 GbE一致性測試要求，同時指出其它高速系統(tǒng)(如光纖通道的32GFEC)之間的差異。在100 GbE規(guī)范存在空白時，如在25-28 Gb/s電接口信令中，我們將采用光學(xué)互通論壇公共電接口實現(xiàn)協(xié)議(OIF-CEI)。

在執(zhí)行測試時，我們將遇到抖動、噪聲和串?dāng)_相互影響等常見問題。在介紹一致性測試后，我們將提供測試建議，以幫助診斷不滿足標(biāo)準(zhǔn)的元器件和系統(tǒng)，測量性能余量。

2. 新興的100 Gb/s和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

許多標(biāo)準(zhǔn)建議執(zhí)行測試，以保證元器件的互操作能力。在本節(jié)中，我們將概括這些技術(shù)規(guī)范，參見表1。一定要記住，大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)還沒有出版，我們引用的數(shù)字應(yīng)視為預(yù)計的典型值，但在進(jìn)行一致性測試時，應(yīng)檢查實際標(biāo)準(zhǔn)中的具體數(shù)值！

技術(shù)規(guī)范一般是以類似于法律的工程術(shù)語編寫的，因此我們編寫了這一指南，作為輔助資料，闡明測試本身、測試的作用以及怎樣執(zhí)行測試。

在電氣方面，這些技術(shù)一般擁有以下特點：均衡性、單向、100歐姆、差分信令并采用嵌入式時鐘、低壓擺幅、非歸零(NRZ)信號、多條通道。

由于同一術(shù)語在不同規(guī)范之間有不同叫法，因此我們首先要明確可能產(chǎn)生的誤解。在本文中，我們要區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)速率和凈荷速率：數(shù)據(jù)速率是指原始數(shù)據(jù)傳播的速率；凈荷數(shù)據(jù)不包括糾錯和編碼開銷，因此凈荷速率≤數(shù)據(jù)速率。由于我們只討論NRZ信令，因此我們使用Gb/s而不是Gbaud，并把“符號”和“位”(或碼)視為相同的術(shù)語。

2.1. 100 GbE – IEEE Std 802.3ba

我們將考察兩個已經(jīng)確定的100 GbE光傳輸規(guī)范，參見表一。IEEE Std 802.3ba標(biāo)準(zhǔn)包括這兩個規(guī)范：遠(yuǎn)距離光傳輸規(guī)范100GBASE-LR4，擴(kuò)展距離光傳輸規(guī)范100GBASE-ER4。這兩種規(guī)范之間的區(qū)別主要在接收端。與LR4接收機(jī)相比，ER4接收機(jī)的靈敏度更高，必須能夠通過更難的壓力容限測試。

在本應(yīng)用指南編寫時，短距離傳輸規(guī)范100GBASE-SR4、4×25 Gb/s低成本多模(MM)標(biāo)準(zhǔn)及通過電纜和背板傳輸?shù)碾娊涌跇?biāo)準(zhǔn)100GBASE-CR4和100GBASEKR4都正在開發(fā)之中。在這些規(guī)范完成時，100GBASE規(guī)范將提供一套完整的光學(xué)互連系統(tǒng)。

圖1. 2000年與2015年光傳輸收入比較(圖片版權(quán)：2012年Heavy Reading版權(quán)所有)。

[圖示內(nèi)容：]

The Shifting Trends in Optical Spend: 光學(xué)開支轉(zhuǎn)移趨勢

Worldwide Optical Transport Revenue, 2000 and 2015 (%): 全球光學(xué)傳輸收入，2000年和2015年(%)

OTN Ethernet: OTN以太網(wǎng)

30 billion: 300億

18 billion: 180億

Source: Heavy Reading, 2012: 資料來源：Heavy Reading, 2012年

SONET/SDH

在過去十年中，以太網(wǎng)已經(jīng)成為所有網(wǎng)絡(luò)的首選技術(shù)，包括數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)和電信網(wǎng)絡(luò)。圖1預(yù)測到2015年，ONET/SDH在光學(xué)傳輸收入中的占比將從70%下跌到不到15%。

2.2. 100 OIF CEI

OIF-CEI實現(xiàn)協(xié)議(IAs)沒有像IEEE的802.3ba 100 GbE或光纖通道規(guī)范那樣規(guī)定一致性測試。相反，其重點放在了信息性測試和標(biāo)準(zhǔn)化測試上，試圖保證元器件在不同標(biāo)準(zhǔn)之間的互操作能力。從某種意義上來說，“標(biāo)準(zhǔn)化”測試與一致性測試類似，委員會規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)化測試的目是保證互操作能力；而“信息化”測試則是推薦性的，以更深入地了解性能和余量。在本指南中，我們摘錄了兩個OIF-CEI IA，參見表1。

短距離IA、OIF-28G-SR在300 mm的PCB上由19.90-28.05 Gb/s差分對的多條通路組成，最多有一條連接在BER 10-15下工作。

超短距離IA、OIF-28G-VSR還沒有出版，但我們摘取了初步版本中的指引信息。它由19.60-28.05 Gb/s的多條電通路組成，用來在Serdes (在IA中叫作主機(jī))和收發(fā)機(jī)(在IA中叫作模塊)之間傳送信號。Serdes和收發(fā)機(jī)可以相距大約100 mm的PCB到連接器距離，外加50 mm左右的傳導(dǎo)軌跡；系統(tǒng)的工作BER必須 10-15。

2.3. 光纖通道32GFC

高速率光纖通道標(biāo)準(zhǔn)32GFC的數(shù)據(jù)速率為28.05 Gb/s。32GFC實現(xiàn)了28.05 Gb/s技術(shù)，之所以出現(xiàn)這種名稱上的混淆，是因為每一代技術(shù)的名稱都希望表示凈荷速率(而不是數(shù)據(jù)速率)比上一代技術(shù)翻了一番。這一混淆始于從8GFC轉(zhuǎn)向16GFC時開銷大幅度下降，數(shù)據(jù)速率從8.5 Gb/s提高到14.025 Gb/s，但凈荷速率從6.4 Gb/s翻番到12.8 Gb/s。32GFC的凈荷速率是25.6 Gb/s，是16GFC的兩倍；而數(shù)據(jù)速率是28.05 Gb/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于32GFC縮寫暗示的速率。

在本指南編寫時，32GFC還沒有出版，初步版本的參考值很少。

圖2. 圖(a) 4×25 Gb/s 100G Serdes-收發(fā)機(jī)WDM光學(xué)系統(tǒng)，圖(b) 4×25 Gb/s 100G Serdes-收發(fā)機(jī)光學(xué)系統(tǒng)，圖(c) 4×25 Gb/s 100G Serdes到Serdes電接口系統(tǒng)。圖中沒有顯示對稱返回路徑。

[圖示內(nèi)容：]

Transceiver: 收發(fā)機(jī)

3. 100G系統(tǒng)測試

圖2是典型的100G系統(tǒng)的構(gòu)成部分圖。Serdes串行化信號，傳送四個25+ Gb/s差分對。可以集成Serdes，也可以每個輸出包括多個不同組件。25+ Gb/s電信號從Serdes傳送到光接口收發(fā)機(jī)。收發(fā)機(jī)對信號再定時，在單模(SM)或多模(MM)光纖上傳送光學(xué)版本信號。第二臺收發(fā)機(jī)接收光信號，把信號轉(zhuǎn)換成電信號，然后傳送到另一個Serdes進(jìn)行解串行化。純電信號采用相同的方式，而沒有收發(fā)機(jī)驅(qū)動的中間光學(xué)信令。

不管是發(fā)射機(jī)測試還是接收機(jī)測試，不管是光接口還是電接口，我們都使用測試碼型，把元器件的每個方面和系統(tǒng)的每個組件投入測試。偽隨機(jī)二進(jìn)制序列(PRBSn)是標(biāo)準(zhǔn)化的碼型，擁有n位的每個置換。OIF CID抖動容限碼型旨在擁有PRBS31最激進(jìn)的元素，外加連續(xù)相同(CID)位的72位序列，但采用的是可管理的長度。

泰克BERTScope誤碼率測試儀提供了100G通信使用的所有測試碼型，包括PRBS31、加擾空閑或相關(guān)的每個常用測試碼型及用戶設(shè)計的任何碼型，長度最長128 Mb。

圖3. 受到(a)同步串?dāng)_和(b)異步串?dāng)_影響的眼圖。

所有發(fā)射機(jī)測試，包括電接口發(fā)射機(jī)和光接口發(fā)射機(jī)，都應(yīng)在每條系統(tǒng)通道雙向活動的情況下進(jìn)行，以包括所有合理的串?dāng)_干擾源。為防止不切實際的數(shù)據(jù)相關(guān)干擾，串?dāng)_通道上的碼型測試應(yīng)不同于測試信號碼型。如果每個匯總器不可能傳送唯一的碼型，至少應(yīng)在碼型之間引入足夠的延遲，以便這些碼型不會被同步。

基于多種原因，串?dāng)_通道還應(yīng)該采用同步定時運行：首先，除特殊情況外，每條通道都有一個時鐘，這個時鐘從輸入數(shù)據(jù)中獨立恢復(fù)。在每個時鐘以相同的標(biāo)稱速率運行時，它們既沒有鎖頻，也沒有鎖相，也就是說，它們沒有同步。第二，如圖3所示，同步串?dāng)_的屬性不同于同步串?dāng)_。每次在匯總器進(jìn)行邏輯跳變時，都會在測試信號眼圖的相同區(qū)域發(fā)生同步串?dāng)_劣化。另一方面，同步串?dāng)_會導(dǎo)致隨機(jī)定時劣化。

如果Serdes集成在擁有多個串行化輸出的一塊芯片上，您必須注意芯片間串?dāng)_。如果多個輸出使用一個公共時鐘定時，那么這些輸出應(yīng)該活動，與測試通道同步，每條通道應(yīng)發(fā)送一個唯一的信號。

由于PCB的頻響會損害高頻成分，幾厘米的PCB中多塊Serdes芯片之間或Serdes和收發(fā)機(jī)之間的電信號要求進(jìn)行信號調(diào)節(jié)：在發(fā)射機(jī)上預(yù)加重，在接收機(jī)上均衡。

加壓的接收機(jī)容限測試旨在保證每臺滿足標(biāo)準(zhǔn)的接收機(jī)即使在最壞情況標(biāo)準(zhǔn)輸入信號下，仍能在指定BER下工作。對100 GbE IEEE 802.3ba和光纖通道32GFC，指定BER是10-12；對OIF-CEI，指定BER是10-15。

3.1. 光接口發(fā)射機(jī)測試

表3匯總了發(fā)射機(jī)建議。

圖4a和圖4b顯示了100GBASE-SR4和100GBASEER4 4×25 Gb/s形狀的100 GbE的光接口眼圖。眼圖模板中使用的歸一化邏輯電平0和1使用眼圖中央0.2 UI的下半部分和上半部分確定。

可以在DSA8300低噪聲等效時間采樣示波器或BERTScope上執(zhí)行眼圖模板測試。不管使用哪種設(shè)備，寬帶寬光電接收機(jī)和時鐘恢復(fù)單元都必不可少。時鐘恢復(fù)-3 dB帶寬在不同技術(shù)規(guī)范之間是不同的，一般為fdata/1667，CR286A滿足了這一要求。CR286A是一種完全基于數(shù)字的二階鎖相環(huán)(PLL)模塊，支持用戶指定拐角頻率，能夠追蹤直到24 MHz的抖動。

光電接收機(jī)應(yīng)該使用四階Bessel-Thompson濾波器，參考頻率是數(shù)據(jù)速率的四分之三，即3/4 fdata。其中沒有包括濾波器，以提供標(biāo)準(zhǔn)光接口接收機(jī)的近似響應(yīng)；但是，規(guī)范要求使用濾波器，以便不同的測試平臺能夠在統(tǒng)一的測量條件下運行。

圖4a. 低通Bessel-Thompson濾波器對加壓眼圖校準(zhǔn)的影響。滾降頻率成分超過20 GHz。圖片摘自IEEE802.3ba標(biāo)準(zhǔn)。

[圖示內(nèi)容：]

Jitter Histogram (at waveform average, may not at waist): 抖動直方圖(在波形平均值處，可能不在腰部)

Vertical Eye Closure Histograms (at time-center of eye): 垂直眼圖閉合直方圖(在眼圖的時間中心)

Approximate OMA (difference of means of histograms): 近似的OMA (直方圖平均值之差)

圖4b. BERTScope上的100GbE眼圖模板。

通過要求最低“命中率”(hit ratio)，可以滿足模板測試的隨機(jī)特點。命中率定義為模板違規(guī)數(shù)量與每單位間隔采集的樣點總數(shù)之比。由于這是一個統(tǒng)計指標(biāo)，因此要注意，命中數(shù)越高，精度越高。

如果發(fā)射機(jī)的命中率低于5×10-5，那么這臺發(fā)射機(jī)是滿足規(guī)范的。

也可以在BERTScope或配有80SJNB抖動和噪聲分析軟件的DSA8300上更簡便地測量BER輪廓，而且在統(tǒng)計上更可靠。只要BER=10-6輪廓位于模板外面，那么圖5a中的發(fā)射機(jī)會通過5×10-5命中率眼圖測試。BER輪廓技術(shù)還可以更簡便地查看發(fā)射機(jī)通過測試時的余量。如圖5b所示，BERTScope使用BER輪廓，評估信號的J9性能，并增加了余量性能(30 Gb/sec)。