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100G光模块接收端压力测试小析

最近经常有小伙伴会问到,SHF误码仪除了眼图信号质量好,灵活性强,方便芯片级别测试外,还有没有其他没解锁的功能,刚好最近也遇到有客户咨询SHF的接收端压力测试方案,所以趁着这个机会,整理了一下SHF误码仪的另一个功能:抖动注入功能,主要用在光模块研发阶段测试中。


本文共分为四个部分:

一.协议接收端压力测试必要性及条件

二.协议规定的搭建方案

三.接收端压力测试以及抖动容忍度测试

四.www.402.com公司的方案以及优点


一.接收端压力测试必要性及条件

我们知道,40G/100G中短距离光模块的测试,除了正常产线测试的发射端眼图、光功率、接收端误码以及对传误码率,研发测试时,还会测试接收端压力灵敏度SRS(Stressed Receiver Sensitivity)以及抖动容限测试(JTOL)。接收端压力测试很重要,如果这个测试没做好,后期可能会出现比较棘手的互连问题或者误码丢包等问题。


光信号从发射端耦合到光纤,然后在光纤中传输一段距离到达接收端,这个过程中受到发射端带宽、码间串扰、以及光纤损耗、色散等影响,到接收端时的眼图变得比较劣化。而接收端压力测试,也就是模拟真实场景,人为构造符合一定条件的光眼,然后给到接收端并测试接收端的误码性能。


另一方面,系统中难免会存在抖动的影响,抖动频率或幅度过大时,有可能造成接收端的CDR不能正确追踪信号,从而导致CDR失锁。这个时候,就需要进行接收端的抖动容忍度测试,以检测接收端是否能从容面对可能的抖动。


二. 协议规定的搭建方案

压力测试,首先得人为构造一个满足一定条件的恶化的光眼,以下是从IEEE802.3ba中摘取的100G LR4/ER4的接收端压力眼所需要满足的条件,即:

  • VECP:1.8 dB(LR4)或者3.5(ER4)

  • J2:0.3 UI

  • J9:0.47 UI


可以参考下图,左边是一个接近理想的光眼,右图是经过恶化后的压力眼。


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▲理想眼图                                                     ▲压力眼


在给出压力眼条件的同时,IEEE802.3ba也给出了建议的系统搭建方案来实现这个压力眼条件,这个条件看起来还是很复杂的,总共分为三个部分,以下简单介绍:

压力眼产生:

  • Frequency synthesizer:频率发生器(产生正弦波/随机噪声,给到时钟做抖动)

  • Clock Source:时钟源(带正弦抖动的正弦波)

  • Test-pattern generator:码型发生器(产生PRBS码型)

  • Stress conditioning:压力条件(加ISI/高斯噪声以满足VECP/J2/J9)

  • Tunable E/O:可调谐电光转换器(将调制的电信号转成光信号,波长可调)

压力眼测试:

  • Signal characterization measurement:光压力眼测试设备(示波器以及误码仪)

压力眼跟其他路串扰信号合并给到DUT:

  • Modulated test sources:其他路带调制信号(用来做串扰)

  • Optical multiplexer:光合路器(将压力信号同串扰信号合波)

  • Optical attenuator:光衰减器

  • Receiver undertest:接收端器件


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但实际上,协议中规定的搭建方案只是一个建议方案,只要客户搭建的方案能够产生符合以上三个条件的光眼即可,不一定要每个条件都一一对应。


那么搭建好这个压力眼后,该怎么检测是否满足要求呢?

这个压力眼的VECP/J2/J9的检测,一般都用采样示波器来测试。有些误码仪接收端分析误码的时候,也可以分析对应的J2/J9,这个时候,也可以用误码仪来测试J2/J9。


如果不满足要求的话,那么对应的参数怎么设置以及通过什么方式去调节呢?

以100G LR4为例,单路速率是25.78125Gbps:

1、设置BPG正确码型(PRBS31即可)以及速率到25.78125Gbps;

2、先把正弦抖动以及正弦干扰源关掉,将光的ER调到spec规定的最小值(100G ER4,是4dB),通过调节EO转换器的AC电平幅度;

3、将正弦干扰源频率设置在100Mhz到2Ghz之间;

4、按照如下图中的公式注入正弦抖动,频率范围在10Mhz到10*LB;

5、最后反复调节正弦干扰源以及高斯噪声,直到将VECP/J2/J9 调节到目标值为止。


三.接收端压力测试以及抖动容忍度测试

开始接收端压力灵敏度(SRS)测试:

信号校准好后,就可以开始接收端压力灵敏度测试了,压力灵敏度测试同正常的灵敏度测试一样,即通过光衰减少接收端的光功率,一直到出现误码为止(或是客户自定义的误码率)。


开始接收端抖动容忍度(JTOL)测试:

接收端压力灵敏度测完后,可以直接开始抖动容忍度测试;抖动容忍度测试主要是为了测试接收端CDR是否能追踪信号的抖动。

测试的时候,建议保持在无误码状态下,依照下面正弦抖动的公式,频率从100khz扫描到10*LB,在每个扫描点上,增加抖动幅度一直到出现误码为止。扫描完成后,可以得到一组频率与幅度的点,如果这些点都在下图的上面,则可以认为接收端抖动容忍度测试通过。


图3.jpg


四.www.402.com公司的方案

www.402.com公司的战略合作伙伴SHF有完备的100G 接收端压力测试方案;相对于其他方案,这种方案更贴近协议规定的搭配,并且也更加灵活,最大限度的允许客户根据客户当前的条件进行选配或升级。


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方案介绍如下:

  • AWG:Arbitrary wave generator,任意波形发生器,可以产生协议规定范围的正弦抖动以及高斯噪声,同时也可以产生其他信号比如矩阵波、三角波等。

  • Clock:时钟,用来产生一个时钟给到BPG生成数据信号,速率可以根据用户自己来设定。

  • BPG:Bit pattern generator,码型发生器,可以产生PRBS以及其他自定义码型。

  • Sinewave interferer:正弦干扰,即一个正弦波发生器,AWG以及时钟都可以实现。

  • Tunable E/O with directional coupler:带tap coupler的可调波长电光转换器。


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▲建议点击放大查看


抖动注入实现的难点不在低频率的部分,而是高频率的部分。查阅了公开资料,目前没有厂家能够做到500Mhz以上的正弦抖动注入,这样如果客户需要用到更高频率的抖动注入就比较着急。而由于SHF时钟的抖动调制接口高带宽,可以允许注入抖动的频率高达1G hz,并且幅度可达60ps,这样就能施加更多的抖动压力。支持53G baud PAM4的抖动压力测试,也完全没问题。下图是SHF 时钟78120所能支持的高频率抖动以及幅度。


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最后,放一张图帮助理解J2/J9/VECP,供参考▼


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