100G/400G壓力眼測(cè)試

  在IEEE802.3規(guī)范中，針對(duì)數(shù)據(jù)中心和云計(jì)算等應(yīng)用，規(guī)范規(guī)定了一系列高速接口標(biāo)準(zhǔn)。從較早的10G、40G以太網(wǎng)規(guī)范，到現(xiàn)在的100G以及正在制訂中的400G以太網(wǎng)規(guī)范中，都要求一項(xiàng)重要的測(cè)試項(xiàng)目：接收機(jī)的壓力容限(俗稱 “壓力眼” )。因此作為100G/400G測(cè)試重頭戲之一，沒做過壓力眼，怎么能說測(cè)試是完整的呢?

  可是因?yàn)閴毫ρ蹨y(cè)試定義的復(fù)雜程度以及搭建的復(fù)雜程度，對(duì)很多小伙伴而言幾乎是一個(gè)只在傳聞中存在的項(xiàng)目。

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  本文分為

  1. 100G/400G壓力眼規(guī)范介紹

  2. 壓力眼測(cè)試的挑戰(zhàn)

  3. 是德科技100G/400G壓力眼測(cè)試方案

  1)100G壓力眼測(cè)試系統(tǒng)

  2)400G壓力眼測(cè)試系統(tǒng)

  3)儀表配置和特點(diǎn)

  4. 方案總結(jié)

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  100G/400G壓力眼規(guī)范和測(cè)試要求

  1.1

  壓力眼測(cè)試的含義及必要性

  在IEEE802.3規(guī)范中，針對(duì)數(shù)據(jù)中心和云計(jì)算等應(yīng)用，規(guī)范規(guī)定了一系列高速接口標(biāo)準(zhǔn)。從較早的10G、40G以太網(wǎng)規(guī)范，到現(xiàn)在的100G以及正在制訂中的400G以太網(wǎng)規(guī)范中，都要求一項(xiàng)重要的測(cè)試項(xiàng)目：接收機(jī)的壓力容限。

  在光通信收發(fā)設(shè)備和鏈路測(cè)試中，常見的測(cè)試參數(shù)包括眼圖測(cè)試、誤碼率測(cè)試、靈敏度測(cè)試等。在光通信速率較低時(shí)，光接收機(jī)對(duì)鏈路誤碼的影響還不明顯，通常只需要檢測(cè)發(fā)射機(jī)眼圖合格，接收功率正常而不是過低即可保證鏈路正常工作。隨著通信速率的提升，設(shè)計(jì)人員會(huì)遇到不同接收機(jī)的性能差異越來越大，而單純的靈敏度指標(biāo)已經(jīng)無法保證光接收機(jī)可互換適配使用。為了對(duì)接收機(jī)一致性進(jìn)行衡量，IEEE規(guī)范提出了接收機(jī)壓力容限一致性的要求。

  壓力眼測(cè)試的含義

  壓力容限測(cè)試的含義是測(cè)試接收機(jī)在惡劣的輸入信號(hào)情況下，是否能夠正常工作。具體的測(cè)試原理是使用測(cè)試儀表產(chǎn)生一個(gè)劣化的光眼圖信號(hào)，稱為壓力眼信號(hào)。

  壓力眼信號(hào)的參數(shù)有明確規(guī)定，例如VECP，J2，J9等。在不同的規(guī)范中壓力眼的具體指標(biāo)會(huì)有不同。通過校準(zhǔn)后的壓力眼會(huì)輸入被測(cè)接收機(jī)，在這種情況下對(duì)接收機(jī)靈敏度和抖動(dòng)容限進(jìn)行測(cè)試。

  壓力眼測(cè)試的必要性

  與常用的靈敏度測(cè)試不同，壓力眼測(cè)試使用了精確添加抖動(dòng)和噪聲等干擾的發(fā)射信號(hào)，來模擬實(shí)際通信鏈路中接收機(jī)所收到的信號(hào)失真。在靈敏度測(cè)試中一般只使用干凈的發(fā)射信號(hào)，這時(shí)得到的靈敏度會(huì)更高，也不包含接收機(jī)對(duì)信號(hào)失真的響應(yīng)變化。

  壓力眼測(cè)試更能說明接收機(jī)在最差工作條件下的性能，也更貼近實(shí)際工作場(chǎng)景。然而壓力眼一致性測(cè)試比靈敏度測(cè)試的搭建難度更高，測(cè)試速度慢，是之前壓力眼測(cè)試的實(shí)際數(shù)量遠(yuǎn)少于靈敏度測(cè)試的原因。

  隨著測(cè)試技術(shù)發(fā)展以及光通信速率的提升，壓力眼測(cè)試的重要性和必要性也在不斷提升，業(yè)界也越來越關(guān)注壓力眼測(cè)試這項(xiàng)指標(biāo)。

  以下會(huì)以100GBASE-LR4/ER4以及400GBASE-FR8 / LR8為例，介紹100G/400G壓力眼的定義和測(cè)試規(guī)范。

  1.2

  100G壓力眼測(cè)試規(guī)范

  下表中標(biāo)出了100GBASE-LR4和100GBASE-ER4中，對(duì)于接收機(jī)壓力測(cè)試的要求。

圖 1

  規(guī)范定義的測(cè)試點(diǎn)在TP3，即接收機(jī)的輸入端口。在這個(gè)測(cè)試點(diǎn)輸入壓力眼信號(hào)后，要求接收機(jī)在靈敏度功率下達(dá)到10^-12以下的誤碼率。

圖 2

  在100GBASE-LR4/ER4中，對(duì)于壓力眼的參數(shù)具體定義包含J2，J9， VECP三個(gè)參數(shù)，參數(shù)的含義見下圖3：

圖 3

  VECP是垂直眼圖閉合代價(jià)的縮寫，其數(shù)值等于光調(diào)制幅度OMA和眼高A0的比值。VECP值越高，說明垂直方向上由噪聲和眼圖失真引起的眼圖閉合越大。

  J2的定義是在眼圖交叉點(diǎn)位置水平方向上采樣的集合中，中央(1-10^-2)=99% 部分所占的時(shí)間長(zhǎng)度。使用浴盆曲線進(jìn)行抖動(dòng)分析時(shí)，J2對(duì)應(yīng)著BER=2.5*10^-3時(shí)的總抖動(dòng)值。

  同樣的，J9對(duì)應(yīng)著抖動(dòng)采樣集合中中央 (1-10^-9) 的部分。使用總抖動(dòng)方式表示時(shí)，J9 = TJ (BER = 2.5*10^ - 10)。

  為了產(chǎn)生符合要求的VECP、J2、J9參數(shù)，IEEE802.3規(guī)范中還給出了參考的硬件系統(tǒng)框圖，見下圖4：

圖 4

  其中stress conditioning的部分功能是產(chǎn)生帶壓力的電信號(hào)，將電信號(hào)通過E/O轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為壓力光信號(hào)，再經(jīng)過參考接收機(jī)的校準(zhǔn)完成壓力眼信號(hào)的產(chǎn)生。

  符合要求的光壓力眼信號(hào)之后被插入到被測(cè)接收機(jī)的一條lane中，另外三條lane傳輸正常通信的信號(hào)。

  最后對(duì)插入壓力眼信號(hào)的lane進(jìn)行接收機(jī)靈敏度，以及壓力抖動(dòng)容限測(cè)試。

  以上即為100G壓力眼測(cè)試的完整流程。

  可以看到規(guī)范中對(duì)于壓力眼產(chǎn)生的系統(tǒng)描述很復(fù)雜，如果要自行搭建這樣的系統(tǒng)，是很消耗時(shí)間和精力的。因此我們需要集成度高，易于調(diào)試的儀表來產(chǎn)生壓力眼電信號(hào)，例如集成噪聲注入，抖動(dòng)注入，產(chǎn)生碼間干擾等功能的誤碼儀。

  1.3

  400G壓力眼測(cè)試規(guī)范

  以下表格中是802.3bs draft文檔中關(guān)于400GBASE-FR8/LR8的壓力眼測(cè)試指標(biāo)：

圖 5

  測(cè)試點(diǎn)的定義和100G壓力眼類似，都是在TP3位置進(jìn)行測(cè)試。靈敏度的測(cè)試要求FEC之前的誤碼率不高于2.4*10^-4。

圖 6

  對(duì)于PAM4壓力眼，主要要求的兩個(gè)參數(shù)是outer OMA和SECQ。

  Outer OMA的計(jì)算方法是從PAM4信號(hào)波形中，提取連續(xù)的7個(gè)“3”符號(hào)中央的2UI，以及連續(xù)的6個(gè)“0”符號(hào)中央2UI的平均值作為3電平和0電平的平均值。然后將3電平和0電平的平均值做差得到outer OMA。

  SECQ參數(shù)的定義與PAM4發(fā)射機(jī)的TDECQ參數(shù)基本一致，只是將TDECQ測(cè)試中要求的測(cè)試光纖跳線(test fiber)去除了。TDECQ的測(cè)試由采樣示波器完成，其測(cè)試原理較復(fù)雜，不在本文檔介紹范圍之內(nèi)。

圖 7

  上圖是PAM4壓力眼測(cè)試結(jié)構(gòu)框圖，其中stress conditioning部分相比于100G壓力眼有較大變化。在PAM4壓力眼中，使用一個(gè)正弦噪聲和一個(gè)高斯噪聲疊加在數(shù)據(jù)信號(hào)上，并通過低通濾波器來實(shí)現(xiàn)碼間干擾的注入。400G光壓力眼的校準(zhǔn)使用采樣示波器，進(jìn)行outer OMA和SECQ的測(cè)量。

  與100G壓力眼測(cè)試系統(tǒng)相比，400G壓力眼系統(tǒng)主要有以下幾個(gè)變化：

  誤碼儀從原本的NRZ格式變?yōu)镻AM4格式，需要支持PAM4信號(hào)的產(chǎn)生和誤碼分析;

  PAM4壓力眼的指標(biāo)與NRZ不同，需要新的產(chǎn)生壓力的功能來滿足400G壓力眼要求;

  同時(shí)校準(zhǔn)過程中使用的示波器也需要支持OOMA和SECQ等PAM4光眼圖測(cè)試項(xiàng)目。

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