基于ADμC7020的高速誤碼測(cè)試儀

長(zhǎng)期平均誤碼率，簡(jiǎn)稱(chēng)誤碼率(BitErrorRate，BER)，是光通信網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備的重要指標(biāo)之一。目前光通信網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備正朝著小型化、高頻率、高速率、大容量的方向發(fā)展，對(duì)作為測(cè)量?jī)x器的誤碼測(cè)試儀速率及功能的要求也越來(lái)越高。雖然國(guó)內(nèi)外儀器儀表廠，如安捷倫(Agilent)、泰克(Tektronix)等推出了各種高速誤碼測(cè)試儀，但是大多價(jià)格昂貴，并且系統(tǒng)復(fù)雜。所以，對(duì)于國(guó)內(nèi)通信行業(yè)，開(kāi)發(fā)一種價(jià)廉、方便、速率可達(dá)10 Gb／s的高速誤碼測(cè)試系統(tǒng)，具有實(shí)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)概述
本誤碼測(cè)試系統(tǒng)由兩部分組成：誤碼測(cè)試部分和上位機(jī)人機(jī)界面部分。其中誤碼測(cè)試部分由高速誤碼儀、光衰減器、光功率計(jì)和光源等組成。高速誤碼儀以微控制器ADμC7020為核心，控制XFP收發(fā)控制器Si5040來(lái)實(shí)現(xiàn)。
ADμC7020是ADI公司的基于ARM7TDMI的體系結(jié)構(gòu)的控制器，支持16／32位精簡(jiǎn)指令集(RISC)。片內(nèi)集成了12位的ADC(1MSPS)、4通道12位帶緩沖的DAC、電壓比較器、62 KB可在系統(tǒng)中編程(ISP)的片內(nèi)閃速／電擦除存儲(chǔ)器Flash和8 KB RAM，串行接口包括UART、SPI、2個(gè)I2C、用于下載／調(diào)試的JTAG端口、4個(gè)定時(shí)器、14個(gè)通用I／0引腳、片內(nèi)可編程邏輯陣列(PLA)。CPU時(shí)鐘高達(dá)45 MHz，可使用片內(nèi)晶體振蕩器和片內(nèi)PLL。
Si5040是Silicon Laboratories公司高速物理層(highspeed PHY)產(chǎn)品線的產(chǎn)品。采用其已通過(guò)市場(chǎng)驗(yàn)證的DSPLL技術(shù)，同時(shí)在數(shù)據(jù)發(fā)送和接收路徑提供信號(hào)抖動(dòng)消除功能的10 Gb／s XFP收發(fā)器。Si5040支持3種不同的模擬與數(shù)字信號(hào)質(zhì)量監(jiān)測(cè)功能，分別是模擬信號(hào)LOS監(jiān)測(cè)、CID(連O或連1)監(jiān)測(cè)以及專(zhuān)有的數(shù)字眼圖開(kāi)度測(cè)量功能，還提供線路環(huán)回測(cè)試、XFI回路測(cè)試和接收／發(fā)送雙方向的PRBS碼流生成和檢查功能。
此設(shè)計(jì)中，ADμC7020作為控制器，對(duì)Si5040芯片進(jìn)行配置和初始化，完成誤碼數(shù)的采集，并作為整個(gè)系統(tǒng)上位機(jī)和Si5040之間的橋梁，及時(shí)向上位機(jī)提供測(cè)量的誤碼及狀態(tài)值等數(shù)據(jù)；Si5040完成偽隨機(jī)碼型(PRBS)的產(chǎn)生、同步及對(duì)比檢測(cè)，計(jì)算出誤碼數(shù)(Error Count)；上位機(jī)由LabWindows／CVI構(gòu)造的測(cè)試平臺(tái)，通過(guò)上位機(jī)PC的并口(LPT)模擬I2C總線讀ADμC7020所構(gòu)建的寄存器映射表，將測(cè)試系統(tǒng)各器件的狀態(tài)(包括Si5040)及誤碼數(shù)顯示出來(lái)，計(jì)算誤碼數(shù)和測(cè)試時(shí)間內(nèi)的總發(fā)送碼數(shù)的比值得出誤碼率(BER)，通過(guò)I2C總線讀寫(xiě)ADμC7020的寄存器表完成對(duì)系統(tǒng)各部分(包括Si5040)的控制和查詢(xún)。

2 原理及組成
誤碼測(cè)試儀框圖如圖1所示。

2．1 測(cè)試原理
在數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中，經(jīng)常測(cè)試或驗(yàn)證系統(tǒng)和器件的誤碼率指標(biāo)，若要獲得精確的測(cè)試結(jié)果，必須進(jìn)行無(wú)限長(zhǎng)時(shí)間的試驗(yàn)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)置信度原理，只要驗(yàn)證數(shù)字系統(tǒng)或器件的誤碼率指標(biāo)是否優(yōu)于某一規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，即可在測(cè)量精度和測(cè)試時(shí)間之間進(jìn)行折中處理，而且仍能保證測(cè)試結(jié)果的可信度。產(chǎn)生誤碼的主要原因是傳輸系統(tǒng)的噪聲和脈沖抖動(dòng)，誤碼性能用誤比特率BER來(lái)衡量。但在實(shí)際測(cè)量中，常以長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量中誤碼數(shù)目與傳送的總碼元數(shù)之比來(lái)表示BER，BER=錯(cuò)誤比特?cái)?shù)／傳輸總的比特?cái)?shù)。
由于這是一個(gè)統(tǒng)計(jì)過(guò)程，因此當(dāng)被測(cè)比特?cái)?shù)接近于無(wú)窮大時(shí)，被測(cè)BER才能接近實(shí)際BER。但是在大多數(shù)情況下，只需測(cè)試小于預(yù)定義閾值的BER即可。完成測(cè)試所需的比特?cái)?shù)取決于所需的置信度和BER閾值。置信度是指，系統(tǒng)的真實(shí)BER小于指定BER時(shí)的測(cè)試占全部測(cè)試的百分比。由于無(wú)法測(cè)量無(wú)窮位，也無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)什么時(shí)候會(huì)出現(xiàn)誤碼，因此置信度永遠(yuǎn)不會(huì)達(dá)到100％。另外，IEEE802．3規(guī)定最壞情況的誤碼率是10E-10。在這種條件下，出現(xiàn)的誤碼不會(huì)降低網(wǎng)絡(luò)的性能，因?yàn)樗械木W(wǎng)絡(luò)軟硬件都按這個(gè)要求建立。因此，這個(gè)條件下出現(xiàn)的噪聲將不足以改變接收端的比特值，不會(huì)造成誤碼。一般情況下，選擇的誤碼率標(biāo)準(zhǔn)比IEEE標(biāo)準(zhǔn)高出100倍，并把10E-12誤碼率稱(chēng)為零誤碼率。零誤碼率意味著每10萬(wàn)億位中產(chǎn)生的誤碼小于1個(gè)。置信度的公式如下：

其中CL為置信度，Nbits為接收的總比特?cái)?shù)。
在生產(chǎn)和測(cè)試中，只考慮零誤碼且置信度為標(biāo)準(zhǔn)的95％的情況，用比特?cái)?shù)除以數(shù)據(jù)速率可確定測(cè)試所需時(shí)間。得出常用的方程式如下：

對(duì)于10 Gbps的系統(tǒng)，測(cè)試30 s基本可以達(dá)到10E-12的要求。
Si5040的發(fā)端模塊產(chǎn)生偽隨機(jī)碼序列數(shù)據(jù)流，作為通信系統(tǒng)的信源數(shù)據(jù)流，收端模塊接收通信系統(tǒng)輸出的比特流，并與本地產(chǎn)生的與發(fā)端形式相同的偽隨機(jī)碼比特流相比較，如比較結(jié)果不同即系統(tǒng)有誤碼。Si5040在收端和發(fā)端信道上都有可編程的模式生成器和檢查器。發(fā)端信道通過(guò)配置寄存器(tpSel Register 157)，收端信道通過(guò)配置寄存器(RxtpSel Register 29)，可以生成PRBS7、PRBS31或者64位用戶(hù)自定義碼型。模式檢查器還提供了不同步信號(hào)(Loss-of-Sync)檢查。在同步情況下，測(cè)試中發(fā)端的誤碼值結(jié)果存于Si5040中40位的寄存器組(tp-ChkErrCnt registerl76-180)和一個(gè)8位浮點(diǎn)數(shù)的寄存器(tpChkErr register 181)。收端的誤碼值結(jié)果存于40位寄存器組(RxtpChkErrCntRe-gister48-52)或8位浮點(diǎn)數(shù)據(jù)類(lèi)型的寄存器(RxtpChkErr Register 53)。本設(shè)計(jì)僅使用Si5040的發(fā)端信號(hào)的模式生成器和檢查器功能。