100G/400G壓力眼測試

  在IEEE802.3規(guī)范中，針對數(shù)據(jù)中心和云計算等應(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，都要求一項重要的測試項目：接收機(jī)的壓力容限(俗稱 “壓力眼” )。因此作為100G/400G測試重頭戲之一，沒做過壓力眼，怎么能說測試是完整的呢?

  可是因為壓力眼測試定義的復(fù)雜程度以及搭建的復(fù)雜程度，對很多小伙伴而言幾乎是一個只在傳聞中存在的項目。

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  本文分為

  1. 100G/400G壓力眼規(guī)范介紹

  2. 壓力眼測試的挑戰(zhàn)

  3. 是德科技100G/400G壓力眼測試方案

  1)100G壓力眼測試系統(tǒng)

  2)400G壓力眼測試系統(tǒng)

  3)儀表配置和特點

  4. 方案總結(jié)

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  100G/400G壓力眼規(guī)范和測試要求

  1.1

  壓力眼測試的含義及必要性

  在IEEE802.3規(guī)范中，針對數(shù)據(jù)中心和云計算等應(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，都要求一項重要的測試項目：接收機(jī)的壓力容限。

  在光通信收發(fā)設(shè)備和鏈路測試中，常見的測試參數(shù)包括眼圖測試、誤碼率測試、靈敏度測試等。在光通信速率較低時，光接收機(jī)對鏈路誤碼的影響還不明顯，通常只需要檢測發(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)計人員會遇到不同接收機(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。

  壓力眼測試的含義

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

  壓力眼信號的參數(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)會有不同。通過校準(zhǔn)后的壓力眼會輸入被測接收機(jī)，在這種情況下對接收機(jī)靈敏度和抖動容限進(jìn)行測試。

  壓力眼測試的必要性

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

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

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

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

  1.2

  100G壓力眼測試規(guī)范

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

圖 1

  規(guī)范定義的測試點在TP3，即接收機(jī)的輸入端口。在這個測試點輸入壓力眼信號后，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，對于壓力眼的參數(shù)具體定義包含J2，J9， VECP三個參數(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% 部分所占的時間長度。使用浴盆曲線進(jìn)行抖動分析時，J2對應(yīng)著BER=2.5*10^-3時的總抖動值。

  同樣的，J9對應(yīng)著抖動采樣集合中中央 (1-10^-9) 的部分。使用總抖動方式表示時，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，將電信號通過E/O轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為壓力光信號，再經(jīng)過參考接收機(jī)的校準(zhǔn)完成壓力眼信號的產(chǎn)生。

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

  最后對插入壓力眼信號的lane進(jìn)行接收機(jī)靈敏度，以及壓力抖動容限測試。

  以上即為100G壓力眼測試的完整流程。

  可以看到規(guī)范中對于壓力眼產(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，例如集成噪聲注入，抖動注入，產(chǎn)生碼間干擾等功能的誤碼儀。

  1.3

  400G壓力眼測試規(guī)范

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

圖 5

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

圖 6

  對于PAM4壓力眼，主要要求的兩個參數(shù)是outer OMA和SECQ。

  Outer OMA的計算方法是從PAM4信號波形中，提取連續(xù)的7個“3”符號中央的2UI，以及連續(xù)的6個“0”符號中央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測試中要求的測試光纖跳線(test fiber)去除了。TDECQ的測試由采樣示波器完成，其測試原理較復(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，使用一個正弦噪聲和一個高斯噪聲疊加在數(shù)據(jù)信號上，并通過低通濾波器來實現(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的測量。

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

  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光眼圖測試項目。

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