PAM4光眼圖測試中的時(shí)鐘恢復(fù)

  引言

  在IEEE規(guī)范下光模塊PAM4光眼圖會(huì)進(jìn)行TDECQ測試，其中有一個(gè)叫CRU(Clock Recovery Unit)的模塊很不顯眼。但是如果測試工程師在搭建測試平臺(tái)時(shí)忽略這個(gè)模塊的影響，就可能會(huì)導(dǎo)致測到的TDECQ不準(zhǔn)確。

  為何非CRU不可?

  下圖分別是從802.3bm標(biāo)準(zhǔn)文檔中截取的TDEC測試框圖、IEEE802.3bs標(biāo)準(zhǔn)中截取的TDECQ測試框圖。其中CRU的目的都是從數(shù)據(jù)中恢復(fù)時(shí)鐘，以提供觸發(fā)給采樣示波器。在之前單通道25G以下 NRZ光眼圖的產(chǎn)線測試中似乎可以省掉CRU模塊，直接從誤碼儀給一路觸發(fā)時(shí)鐘到采樣示波器得到的光眼圖也差不多。為什么到PAM4測試就需要了呢?

TDEC測試框圖

TDECQ測試框圖

  造成測試結(jié)果差異的根本原因就是誤碼儀觸發(fā)信號和模塊光信號(PMD TX)會(huì)發(fā)生不同步的問題。在使用CRU從光信號中提取的時(shí)鐘時(shí)，就可以避免該不同步的產(chǎn)生。如下是一個(gè)典型的400G光模塊工作場景，我們簡單看下它的信號發(fā)送部分。首先交換機(jī)中的Serdes芯片將8路50Gbps PAM4信號輸入模塊，該信號再經(jīng)過數(shù)字處理轉(zhuǎn)換為4路100Gbps PAM4信號，最后驅(qū)動(dòng)激光器產(chǎn)生4路100Gbps光信號。

400G光模塊架構(gòu)

  在這個(gè)結(jié)構(gòu)中，速率轉(zhuǎn)換芯片又被稱為Gearbox IC，主要通過DSP技術(shù)實(shí)現(xiàn)。該芯片通過內(nèi)置的數(shù)字CDR(Clock Data Recovery)進(jìn)行信號整形，其高延遲的特性難以保證輸入信號和輸出信號之間的相位匹配。誤碼儀的觸發(fā)時(shí)鐘是和Gearbox IC輸入信號同步的，而光信號是和Gearbox IC輸出信號同步的，因此相位不匹配就導(dǎo)致了采樣示波器測到眼圖抖動(dòng)過大。由此得出結(jié)論：單路100Gbps光模塊PAM4光眼圖的TDECQ測試中，CRU不能省。

數(shù)字CDR原理圖

  在高速NRZ光模塊中雖然也存在CDR，但是都是基于模擬電路實(shí)現(xiàn)的。模擬CDR的延遲只有基于DSP技術(shù)的數(shù)字CDR的千分之一量級，較容易保證輸入和輸出信號的同步。最近比較火的Open Eye MSA中也有芯片設(shè)計(jì)廠家基于成本、功耗、時(shí)延等考量采用模擬CDR替代數(shù)字CDR的方案用于單通道50Gbps PAM4下的模塊。在這些情況下，我們可以在產(chǎn)線測試中用誤碼儀時(shí)鐘替代CRU以節(jié)省成本。

模擬CDR原理圖

  為了節(jié)省單通道100G光模塊TDECQ的測試成本，有些芯片廠家會(huì)在DSP設(shè)計(jì)時(shí)就增加CDR的同步時(shí)鐘輸出接口，以給到采樣示波器提供觸發(fā)。

芯片時(shí)鐘給到采樣示波器觸發(fā)

  這種架構(gòu)在原理上是可行的，但是在實(shí)際測試中發(fā)現(xiàn)使用芯片時(shí)鐘得到的TDECQ可能比使用外置CRU的反而更好。造成這個(gè)差異的主要原因是協(xié)議規(guī)定CRU中PLL帶寬只有10Mhz，會(huì)過濾掉光信號中的高頻抖動(dòng)成分。而芯片時(shí)鐘輸出可以做到和光信號完全同步。在光信號本身存在較大高頻抖動(dòng)分量時(shí)，用芯片時(shí)鐘反而獲得更好的TDECQ。以下面三幅眼圖對比為例，同一個(gè)1Gbps NRZ信號在CRU PLL帶寬為635kHz，1500kHz和5000kHz時(shí)的眼圖存在明顯差異。造成差異的原因就是這個(gè)1Gbps信號抖動(dòng)頻譜中包含了719kHz和1383kHz這兩個(gè)高頻分量。需要注意的是最終用戶一般都會(huì)依據(jù)IEEE協(xié)議規(guī)范使用CRU測TDECQ，在產(chǎn)線使用芯片時(shí)鐘輸出做為觸發(fā)可能會(huì)導(dǎo)致不符合規(guī)范要求的產(chǎn)品流到客戶處。

PLL BW=635kHz

PLL BW=1500kHz

PLL BW=5000kHz

  測試中CRU的選擇

  最后我們看一下一個(gè)好用的CRU都有哪些特征。目前示波器廠家基于客戶測試要求，都會(huì)將光電轉(zhuǎn)換模塊集成到CRU里面，合稱為OCRU。以Anritsu MP2110A-055 OCRU為例，其支持的25.5-28.9Gbaud，51-58Gbaud速率；4MHz，10MHz，bit rate/1667 PLL帶寬可調(diào)。這些指標(biāo)完全能夠滿足當(dāng)前400G和未來800G光模塊的測試規(guī)范要求。其低至1.5dB的插入損耗和-10dBm的靈敏度(PRBS13，TDECQ=2.0dB)十分利于硅光這種小光功率下的應(yīng)用場景。其1/4 (25.5-28.9Gbaud)和1/8 (51-58Gbaud)的分頻時(shí)鐘輸出完全能夠滿足采樣示波器的觸發(fā)要求。雖然市面上有高端的支持1/1和1/2分頻以及連續(xù)速率范圍的OCRU設(shè)備可供選購，但是其成倍增加的成本只是用于誤碼測試場景下的時(shí)鐘恢復(fù)，對光眼圖測試沒有任何實(shí)質(zhì)的改善。

MP2110A-055 OCRU

  參考文獻(xiàn)：

  1. 802.3bs，802.3cd

  2. Sonntag JSSC 2006

  作者：hao.zhang