用于4Gbps 850nm FC接收機的極限參數(shù)測試源

概述
對任何一個無差錯（帶有余量）的光傳輸鏈路而言，整個鏈路中的每一個元器件都必須滿足嚴格的性能指標。由于鏈路上的元器件分別由不同的供貨商提供，所以在最差的條件下，這些元器件仍然能一起協(xié)調(diào)的工作顯得非常重要。由于鏈路數(shù)據(jù)速率在不斷地提高，而傳輸每吉比特的價格卻在持續(xù)下降，因此上述的需求就顯得更加緊迫。

光纖通道標準（其他的標準，如萬兆以太網(wǎng)）定義了規(guī)范和測試方法以保證來自不同廠商的元器件能夠在系統(tǒng)中協(xié)調(diào)的工作，并且對最差條件下的鏈路留有一定的余量。對鏈路中的每一個元器件都分配了抖動規(guī)范（串并轉(zhuǎn)換器，發(fā)射機，光纖，接收機，pwb等）。但是一個重要的接收機測試參數(shù)—極限接收靈敏度通常被忽略。極限測試是用來評價接收機在眼圖閉合度最差時的性能指標，眼圖閉合度也指符號間干擾（isi）。例如，在一般情況下，接收機靈敏度性能測試還比較滿意，但是在極限條件下測試，接收機的性能指標就變得無法接受。與僅測試接收機小信號帶寬相比，極限測試（時域的誤碼測試）能夠提供更豐富的指標信息。多年以來，針對擴展鏈路模型，標準委員會制定了isi的規(guī)范和必要的測試功率。這些規(guī)范主要包括數(shù)據(jù)速率、信號源邊沿速率、光纖特性和鏈路工作波長等。4gbps fc的最大isi是針對850nm的62 m光纖鏈路（2.14db）。本文闡述了如何利用max3748評估板、t形偏置、貝塞爾－湯姆遜（bt）濾波器和4gbps 850nm的vcsel來產(chǎn)生極限測試源。

測試極限眼圖所需要的條件

極限眼圖包括抖動和isi。表1給出了眼圖閉合度的指標要求，該指標來自光纖通道規(guī)范。

由于占空比失真（dcd）的存在，表1專門給出了確定性抖動（dj）。dj在垂直眼圖閉合度的測試中導(dǎo)致了不對稱，極大的降低了系統(tǒng)帶寬，因此dj是鏈路中所必須測試的參數(shù)。鏈路中產(chǎn)生dcd的一個可能原因是激光器的接通延時，這會導(dǎo)致一個短的“開”持續(xù)和一個長的“關(guān)”持續(xù)的出現(xiàn)。 表1：針對多模極限眼圖的光纖通道抖動要求概要

下面將主要闡述針對62 m光纖在最差眼圖閉合度條件下，如何產(chǎn)生4.25gbps的極限眼圖。如果測試單元在這樣的條件下能夠有良好的指標性能，那么針對50 m光纖會有更好的指標。圖1是一個理想的極限眼圖，該眼圖包括isi和由dcd引起的0.085ui（20psec）的dj。

規(guī)范1中對眼圖閉合度的定義是：

垂直眼圖閉合度代價

其中a0和an的定義在圖1中給出。

采用一個實際的元器件產(chǎn)生4.2gbps的所示眼圖比較難。產(chǎn)生dcd需要非線性器件，例如后置放大器的補償。一般很難產(chǎn)生不含模式抖動的一個很純的dcd。該眼圖的一個特點是其垂直張開相對于零平均值的不對稱性。包括dcd的有效眼圖閉合度為：

有效垂直閉合度（db）

誤碼率主要由最近通過均值或者限幅域值的閉合來決定。

圖1的例子中，該閉合是在邏輯“1”上的，主要是產(chǎn)生一個含有dj（可能是模式dj）的眼圖，但要包括2.6db的有效垂直閉合，該閉合是相對于均值“1”，“0”。
圖2是含有0.09ui的模式抖動的仿真眼圖，該眼圖中含有很少的或者沒有dcd。當(dāng)加入dcd以獲得同樣的最壞眼圖閉合度（2.6db）時，需要緩慢降低波形的上升和下降時間，來加入附加的眼圖閉合度。

有效垂直閉合度（圖2）

=-10 log(2 0.55/2) =2.6db (3)

產(chǎn)生極限眼圖

圖3是產(chǎn)生和測試極限眼圖的裝置，它同光纖通道標準中的一個模塊相似。

極限眼圖產(chǎn)生主要包括以下模塊

1)低通濾波器

2)限幅放大器

3)4階bt濾波器

4)偏置網(wǎng)絡(luò)

5)vcsel光源

第一個低通濾波器產(chǎn)生模式dj，它有效降低數(shù)據(jù)的邊緣速率，使模式抖動在限幅放大器的過零處產(chǎn)生。濾波器可以是一段同軸電纜，也可以是一個集總元件濾波器。在限幅放大器的輸入端加入一個簡單的電容也能產(chǎn)生需要的dj。該例中在4.2gbps速率上產(chǎn)生了足夠的剩余dj，在測試系統(tǒng)（模式產(chǎn)生器，后置放大器和光源）中，不需要再加入濾波器。
然后限幅放大器去掉第一個濾波器產(chǎn)生的任何isi，保留dj。如果不需要第一個濾波器，并且模式產(chǎn)生器的輸出不會變化，那就可以去掉限幅放大器。max3748限幅放大器可以采用單端輸入，未被使用的輸入端接50 的終端。

限幅放大器之后是貝塞爾－湯姆遜線性相位濾波器，用來附加所需的isi。isi的數(shù)量，以及后置放大器的速率、t形偏置和光源本身決定了濾波器的帶寬。由于這些濾波器的參數(shù)值是固定的，因此得到所需要的isi就需要建立幾個不同的模型，通過選擇一個具有稍高帶寬的濾波器和并入一個0.5pf的電容可以進行微調(diào)（在濾波器外部加入集總元件會對相位響應(yīng)造成沖擊，產(chǎn)生過沖或者失真）。

外部信號源通過寬帶t形偏置來注入偏置電流。這個外部信號源可以是一個電流源或者帶有串聯(lián)電阻的電壓源。

vcsel將電的極限眼圖轉(zhuǎn)換為光眼圖。建議使用高速的vcsel，不然會對電的極限眼圖造成影響，而額外進行波形的調(diào)整。采用引線處理的盡可能短的vcsel，焊在pwb末端的連接器上。

圖4所示是用來產(chǎn)生極限眼圖的主要元器件。

從左到右依次是限幅放大器，4階bt濾波器，t形偏置器，vcsel。該系統(tǒng)中有足夠的剩余dj，因此不需要在后置放大器的輸入端附加濾波器或者電容。

圖5是采用一個高速光電轉(zhuǎn)換器（o/e）測量的實際極限眼圖。估算的o/e和示波器帶寬為8ghz。推薦在光鏈路極限測試中采用3360光纖通道比特測試模式crpat。圖5中的極限眼圖是掃描測試序列中的所有比特后得到的。最大的眼圖閉合度是在邏輯“1”處，大約為2.5db，這已經(jīng)接近目標閉合度。眼圖閉合度并不需要非常精確。在一個完全的線性系統(tǒng)中，眼圖張開處的誤碼可以簡單的通過調(diào)整極限靈敏度參數(shù)來補償。但是，接收極限靈敏度由于isi的增加會變成非線性。這是由接收機基帶的漂移或者發(fā)射機的相對強度噪聲（rin）引起的。

光源的消光比較低，大約為6db。連上和去掉跳線ju8對于max3748的驅(qū)動電平會有一到兩倍的差別（去掉該跳線為0.2v p-p，連上為0.4v p-p）。調(diào)整激光器偏置電流（和消光比）可以獲得最佳的眼圖。

眼圖中，特別是在邏輯“1”處能夠觀察到噪聲。這可能是當(dāng)3360比特掃描時，由rin在示波器上積累造成的。rin噪聲是由發(fā)射機而不是接收機產(chǎn)生的。但是，當(dāng)眼圖閉合度增加時，發(fā)射端的rin會對接收機極限靈敏度造成非線性影響。為了限制由發(fā)射機rin產(chǎn)生的非線性影響，通常的經(jīng)驗是維持最差時的眼圖閉合（tx＋rx＋光纖）在3db在或者更低。

進行極限測試

當(dāng)建立好極限眼圖模板后，可以采用圖3中的結(jié)構(gòu)來進行實際的極限靈敏度測量。該例中，所測試的接收機（rx）含有一個rosa，它由maxim tia和其后的maxim高速后置放大器組成，針對rosa和后置放大器的協(xié)同工作進行極限測試。

圖6是在沒有后置放大器的rosa輸出所測得的極限眼圖（差分條件下測得）。估算的眼圖閉合度由極限測試源測得的2.5db上升到3db。由于tia的帶寬限制，同>8ghz的參考接收機相比，產(chǎn)生了預(yù)期的眼圖閉合度的增加。同極限測試源測得的dj相比，觀察到的dj沒有明顯的增加。

圖7是在4.2gbps時，采用crpat測試模式所測得的兩條ber曲線。左邊一條曲線是采用高速、非極限條件下的850nm光源。右邊的曲線是在采用圖3的結(jié)構(gòu)和使用極限眼圖產(chǎn)生器所測得的。水平軸以光調(diào)制幅度（oma）dbm的形式表示。10～12的誤碼率可以推斷出極限功率代價在3.5db和4db之間。隨著光功率的增加，這兩條曲線在水平方向上的間隔逐漸增大。這是由前面討論的發(fā)射機的rin特性造成的，也可能由所測試的接收機一些實際性能造成的。所估算的極限靈敏度和規(guī)范定義的靈敏度之間留有足夠的余量。通過眼圖閉合度（3db）來限制rin的非線性效應(yīng)和模式分配噪聲。同62 m的規(guī)范相比，所留余量為6db。推薦最小5db的余量以滿足fc的抖動要求。此例中的rx測試滿足以上的所有要求。