數(shù)據(jù)中心光互聯(lián)技術(shù)的發(fā)展及400G光模塊測(cè)試

       本文的主要內(nèi)容有：

  一、數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

  二、400G光模塊的分類

  三、400G光模塊主要測(cè)試項(xiàng)目

  四、測(cè)試儀器

  五、總結(jié)

  一、數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

  隨著云計(jì)算和大數(shù)據(jù)的普遍應(yīng)用，數(shù)據(jù)中心作為云計(jì)算的核心基礎(chǔ)設(shè)置，其計(jì)算能力和內(nèi)部數(shù)據(jù)交換能力也呈現(xiàn)出指數(shù)級(jí)的發(fā)展。

  對(duì)于數(shù)據(jù)中心來(lái)說(shuō)，其內(nèi)部服務(wù)器以及交換機(jī)間普遍采用光模塊或AOC電纜進(jìn)行互聯(lián)?，F(xiàn)代新一代的數(shù)據(jù)中心為了應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)流量的增長(zhǎng)以及兼顧更靈活的擴(kuò)容升級(jí)和冗余備份能力，普遍開(kāi)始采用以Facebook公司倡導(dǎo)的Spine-Leaf的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的數(shù)據(jù)交換和吞吐能力更強(qiáng)，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也更加扁平化和密集。

  因此，現(xiàn)代大規(guī)模數(shù)據(jù)中心對(duì)于光模塊的需求量及光纖資源的需求量非常大，光互聯(lián)的成本占了網(wǎng)絡(luò)成本的很大比例，如何選擇合適的技術(shù)同時(shí)兼顧技術(shù)發(fā)展和建設(shè)及運(yùn)維成本是巨大的挑戰(zhàn)。

  從技術(shù)需求來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)中心的光模塊選擇主要考慮的是傳輸距離、速率、密度和功耗。

  從傳輸距離來(lái)說(shuō)，其應(yīng)用場(chǎng)景主要分為以下幾個(gè)方面：

  <20m，主要用于機(jī)柜內(nèi)部的服務(wù)器和TOR交換機(jī)互聯(lián)，目前數(shù)據(jù)速率以10G、25G為主，正在向50G或100G過(guò)渡。實(shí)現(xiàn)方式以DAC(直接連接的銅線電纜)或AOC(有源光纜)電纜為主。

  <500m，主要用于數(shù)據(jù)中心同一機(jī)房?jī)?nèi)Leaf到Spine交換機(jī)的互聯(lián)。目前數(shù)據(jù)速率以40G、100G為主，正在向400G過(guò)渡。其中100m以下的短距離主要以850nm的多模(MM)光纖為主;100m～500m距離多采用1310nm波長(zhǎng)的單模(SM)光纖，出于成本考慮主要采用并行單模(PSM)技術(shù)。

  <10km，主要用于數(shù)據(jù)中心樓宇間交換機(jī)或路由器的互聯(lián)。目前數(shù)據(jù)速率以100G為主，正在向400G過(guò)渡。這個(gè)距離上光纖的成本占比已經(jīng)較大，因此多采用波分復(fù)用技術(shù)在單根光纖上傳輸更多路信號(hào)，以1310nm波長(zhǎng)的粗波分復(fù)用(CWDM)技術(shù)為主，部分短距離(500m~2km)場(chǎng)合仍可以使用PSM技術(shù)。

  >10km，主要用于多個(gè)數(shù)據(jù)中心間的互聯(lián)(DCI)。目前實(shí)現(xiàn)方式以100G+DWDM(密集波分復(fù)用為主)，未來(lái)80km以上主要采用400G相干通信+DWDM，80km以下也有采用PAM4+DWDM的實(shí)現(xiàn)方式。傳輸波長(zhǎng)以1550nm波長(zhǎng)為主，通過(guò)DWDM方式在單根光纖上實(shí)現(xiàn)40～80個(gè)波長(zhǎng)的復(fù)用來(lái)達(dá)到4T～32T的傳輸速率。部分短距離(10km~40km)、速率要求不高的場(chǎng)合仍可以使用1550nm波長(zhǎng)的CWDM技術(shù)。

  二、400G光模塊的分類

  光模塊是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心內(nèi)部光網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的關(guān)鍵硬件設(shè)備，隨著端口數(shù)和密度的提升，光模塊的成本會(huì)占到數(shù)據(jù)中心光網(wǎng)絡(luò)成本的接近一半。目前各大互聯(lián)網(wǎng)公司新建的數(shù)據(jù)中心已經(jīng)普遍采用100G的互聯(lián)技術(shù)，并會(huì)在未來(lái)2～3年內(nèi)大規(guī)模商用400G的互聯(lián)技術(shù)。因此，400G光模塊的實(shí)現(xiàn)技術(shù)成為業(yè)界關(guān)注的重點(diǎn)。

   從光波長(zhǎng)上區(qū)分，400G光模塊可以分為多模(MM)、單模(SM);從信號(hào)調(diào)制方式上，分為NRZ和PAM4調(diào)制(目前以PAM4為主);從傳輸距離上區(qū)分，400G光模塊可以分為SR、DR、FR、LR;從封裝形式上，400G光模塊可以分為CDFP、CFP8、OSFP、QSFP-DD等。下圖是400G光模塊的技術(shù)分類。

  早期的400G光模塊使用的是16路*25Gbps NRZ的實(shí)現(xiàn)方式(如400G-SR16)，采用CDFP或CFP8的封裝。其優(yōu)點(diǎn)是可以借用在100G光模塊上成熟的25G NRZ技術(shù)，但缺點(diǎn)是需要16路信號(hào)進(jìn)行并行傳輸，功耗和體積都比較大，不太適合數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用。

  目前的400G光模塊中，在光口側(cè)主要是使用8路*53Gbps PAM4(400G-SR8,FR8,LR8)或者4路*106Gbps PAM4(400G-DR4,FR4,LR4)實(shí)現(xiàn)400G的信號(hào)傳輸，在電口側(cè)使用8路*53Gbps PAM4電信號(hào)，采用OSFP或QSFP-DD的封裝形式。OSFP和QSFP-DD封裝都可以提供8路電信號(hào)接口。相比較來(lái)說(shuō)，QSFP-DD封裝尺寸更小(和傳統(tǒng)100G光模塊的QSFP28封裝類似)，更適合數(shù)據(jù)中心應(yīng)用;OSFP封裝尺寸稍大一些，由于可以提供更多的功耗，所以更適合電信應(yīng)用。

  下圖分別是400G-FR8/LR8以及400G-FR4的實(shí)現(xiàn)方式(Reference:OSFP MSA Specification for OSFP OCTAL SMALL FORM FACTOR PLUGGABLE MODULE)?？梢钥吹?，其電口側(cè)都是8路53Gbps PAM4信號(hào)。

  光口側(cè)情況稍微復(fù)雜一些，對(duì)于400G-SR8/FR8/LR8等模塊來(lái)說(shuō)，光模塊內(nèi)部只是做CDR(時(shí)鐘恢復(fù))以及電/光或光/電轉(zhuǎn)換，因此光口側(cè)與電口測(cè)一樣，也是8路53Gbps PAM4信號(hào);對(duì)于400G-DR4/FR4/LR4等模塊來(lái)說(shuō)，光模塊內(nèi)部還有Gearbox(變速箱)芯片把兩路電口輸入復(fù)用成一路信號(hào)再調(diào)制到光上，因此光口側(cè)的速率是電口側(cè)速率的2倍，即4路106Gbps PAM4信號(hào)。

  另外，由于多模光纖在短距離傳輸上的成本優(yōu)勢(shì)，所以IEEE也在2018年3月份成立了802.3cm工作組，把之前在業(yè)界討論的用8路(SR8)甚至4路(SR4.2)多模光纖實(shí)現(xiàn)400G傳輸?shù)募夹g(shù)納入規(guī)范討論中。

  從未來(lái)來(lái)說(shuō)，出于成本的考慮，用4路光信號(hào)實(shí)現(xiàn)400G傳輸?shù)姆绞娇赡軙?huì)成為主流;同時(shí)光模塊的電接口也可能會(huì)逐漸升級(jí)到4路*106Gbps PAM4的形式，以省去Gearbox芯片從而節(jié)省功耗和成本。在超遠(yuǎn)距離(>80km)傳輸上，以O(shè)IF組織正在制定的400G-ZR規(guī)范為例，會(huì)采用相干通信+DWDM方式實(shí)現(xiàn)。

  三、400G光模塊主要測(cè)試項(xiàng)目

  從前一章的介紹可以看到，400G的光模塊普遍采用了PAM4(4-level Pulse Amplitude Modulation：4電平脈沖幅度調(diào)制)的信號(hào)調(diào)制技術(shù)，即采用4個(gè)不同的信號(hào)電平來(lái)進(jìn)行信號(hào)傳輸，每個(gè)符號(hào)周期可以表示2個(gè)bit的邏輯信息(0、1、2、3)。

  因此，要實(shí)現(xiàn)同樣的信號(hào)傳輸能力，PAM4信號(hào)的符號(hào)速率只需要達(dá)到NRZ信號(hào)的一半即可，傳輸通道對(duì)其造成的損耗大大減小，但付出的代價(jià)是信噪比會(huì)比NRZ信號(hào)惡化很多，測(cè)量方法也會(huì)有比較大的差異。下圖是典型的NRZ信號(hào)的波形、眼圖與PAM4信號(hào)的對(duì)比。

  對(duì)于400G光模塊來(lái)說(shuō)，其主要的高速接口包含電輸入接口、光輸出接口、光輸入接口、電輸出接口，以及其它的電源和低速管理接口。

  因此，對(duì)于400G光模塊的電氣性能驗(yàn)證來(lái)說(shuō)，其主要測(cè)試項(xiàng)目分為光口發(fā)射機(jī)指標(biāo)、光口接收機(jī)容限、電口發(fā)射機(jī)指標(biāo)、電口接收機(jī)容限、系統(tǒng)測(cè)試。

  3.1 發(fā)射機(jī)測(cè)試

  光發(fā)射機(jī)、電發(fā)射機(jī)電氣特性測(cè)試環(huán)境如下。

  發(fā)射機(jī)的測(cè)量項(xiàng)目又分為光發(fā)射機(jī)的測(cè)量項(xiàng)目和電發(fā)射機(jī)的測(cè)量項(xiàng)目，主要用于驗(yàn)證光口及電口輸出信號(hào)的質(zhì)量。

  3.1.1 光發(fā)射機(jī)測(cè)試方法

  主要用于驗(yàn)證被測(cè)光模塊發(fā)出光信號(hào)的質(zhì)量。測(cè)試方法如下：被測(cè)光模塊插在MCB夾具上，上電并配置正常工作;誤碼儀產(chǎn)生PAM4電激勵(lì)信號(hào)送給光模塊一路電輸入端，使得被測(cè)光模塊輸出SSPRQ的光信號(hào)，模塊的相鄰電通道上輸入PAM4的串?dāng)_信號(hào)。輸出光信號(hào)經(jīng)時(shí)鐘恢復(fù)進(jìn)采樣示波器進(jìn)行光發(fā)射機(jī)參數(shù)測(cè)試。更換其它通道依次測(cè)量所有通道光發(fā)射機(jī)指標(biāo)。

  TDECQ (Transmitter and dispersion eye closure for PAM4)即發(fā)射機(jī)色散眼圖閉合代價(jià)，是衡量光發(fā)射機(jī)經(jīng)過(guò)一個(gè)典型的光通道后PAM4信號(hào)功率裕量的損失。正常用于光信號(hào)傳輸?shù)募す馄鞫加幸欢ǖ淖V線寬度，經(jīng)過(guò)一段距離傳輸后，色散效應(yīng)就會(huì)造成信號(hào)中不同波長(zhǎng)成分的傳輸時(shí)延的變化。這些不同傳輸時(shí)延的信號(hào)在接收端疊加在一起就會(huì)造成信號(hào)質(zhì)量的惡化，從而導(dǎo)致接收端的靈敏度下降。

  在10G以太網(wǎng)IEEE 802.3ae標(biāo)準(zhǔn)里，這個(gè)指標(biāo)定義為TDP (Transmitter and Dispersion Penalty) ;在100G以太網(wǎng)IEEE 802.3bm標(biāo)準(zhǔn)里，這個(gè)指標(biāo)定義為TDEC(Transmitter and Dispersion Eye Closure) ;而在針對(duì)200G/400G以太網(wǎng)IEEE 802.3bs標(biāo)準(zhǔn)里，這個(gè)指標(biāo)就是TDECQ(Transmitter and dispersion eye closure for PAM4)。

  TDECQ通常用dB表示，對(duì)于PAM4信號(hào)來(lái)說(shuō)，TDECQ值越小，表示這個(gè)信號(hào)相對(duì)于理想信號(hào)的功率裕量損失越小，或者說(shuō)能在光纖里傳輸更遠(yuǎn)的距離。根據(jù)802.3bs里的定義，TDECQ的參考測(cè)試方法如下圖所示：

  在測(cè)試中，被測(cè)件產(chǎn)生SSPRQ碼型的光信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)測(cè)試光纖進(jìn)行傳輸。被測(cè)信號(hào)經(jīng)光纖傳輸后進(jìn)入測(cè)量用的采樣示波器，采樣示波器一方面通過(guò)符合規(guī)范的CRU(Clock Data Recovery)電路進(jìn)行時(shí)鐘恢復(fù)，另一方面把被測(cè)光信號(hào)經(jīng)過(guò)參考濾波器后進(jìn)行采樣。采樣后的波形要進(jìn)行5階FFE的信號(hào)均衡，然后以CRU恢復(fù)時(shí)鐘為基準(zhǔn)形成PAM4信號(hào)眼圖。

  眼圖形成以后，再根據(jù)信號(hào)眼圖的光調(diào)制幅度(OMA)、信號(hào)幅度噪聲(R)、以及和誤碼率要求對(duì)應(yīng)的外推系數(shù)(Qt)根據(jù)公式計(jì)算TDECQ的值。

  下圖是在采樣示波器里對(duì)均衡后光信號(hào)的參數(shù)進(jìn)行OMA、ER、TDECQ等參數(shù)測(cè)試的例子。我們可以看到，盡管很多測(cè)量參數(shù)的定義非常繁瑣，但基于示波器里的PAM4測(cè)量選件，使用者不需要繁瑣的操作，就可以快速得到需要的測(cè)量結(jié)果。

  3.1.2 電發(fā)射機(jī)測(cè)試方法

  主要用于驗(yàn)證被測(cè)光模塊電口輸出的質(zhì)量。測(cè)試方法如下：被測(cè)光模塊插在MCB夾具上，上電并配置正常工作;誤碼儀產(chǎn)生PAM4電激勵(lì)信號(hào)送給光模塊一路電輸入端，光模塊相鄰電通道上輸入PAM4的串?dāng)_信號(hào)。輸出光信號(hào)環(huán)回到光接收機(jī)，并測(cè)試其電通道輸出的PRBS13Q信號(hào)參數(shù)。

  眼高(Eye Height)和眼寬(Eye Width)是400G光模塊電信號(hào)質(zhì)量測(cè)試的重要參數(shù)。在IEEE 802.3bs規(guī)范中，定義眼圖測(cè)試時(shí)使用PRBS13Q的PAM4碼型。被測(cè)點(diǎn)輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)參考均衡器和時(shí)鐘恢復(fù)后疊加形成眼圖。因此，合適帶寬的示波器、正確的均衡器以及可靠的時(shí)鐘恢復(fù)對(duì)于PAM4信號(hào)的眼圖測(cè)試至關(guān)重要。而對(duì)于Module輸出端的測(cè)試來(lái)說(shuō)，還需要模擬出信號(hào)經(jīng)過(guò)Host內(nèi)部走線損耗對(duì)于信號(hào)的影響，所以測(cè)試中示波器還需要在捕獲到的信號(hào)上疊加上約6.4dB的傳輸通道損耗。

  由于PAM4信號(hào)會(huì)形成3層眼圖，所以對(duì)每層眼圖要分別測(cè)量。在IEEE 802.3bs規(guī)范里，定義以中間層眼圖的中心位置為參考點(diǎn)計(jì)算眼高和眼寬。在測(cè)試過(guò)程中要更換不同的均衡器的值，并根據(jù)信號(hào)的噪聲和抖動(dòng)概率分布來(lái)計(jì)算等效的眼高和眼寬，這是一個(gè)非常復(fù)雜的計(jì)算過(guò)程，這里不做具體論述。

  3.2 接收機(jī)及誤碼率測(cè)試

  發(fā)射機(jī)的測(cè)試項(xiàng)目主要用于保證光模塊的光口和電口輸出信號(hào)的質(zhì)量。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，還需要驗(yàn)證光模塊的光口和電口接收信號(hào)的能力。

  光模塊接收到的光信號(hào)通常經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)距離的光纖傳輸，接收到的光信號(hào)上可能疊加了各種抖動(dòng)和噪聲，所以光接收機(jī)測(cè)試可以用于驗(yàn)證被測(cè)光模塊對(duì)于惡劣光信號(hào)的容忍能力。

  同時(shí)，光模塊需要從電口接收交換機(jī)或服務(wù)器發(fā)送過(guò)來(lái)的電信號(hào)并轉(zhuǎn)成光信號(hào)發(fā)出去。由于電信號(hào)經(jīng)PCB、連接器傳輸會(huì)產(chǎn)生較大的損耗和發(fā)射，所以電接收機(jī)測(cè)試項(xiàng)目可以驗(yàn)證被測(cè)光模塊對(duì)于惡劣電信號(hào)的容忍能力。

  3.2.1 光接收機(jī)測(cè)試方法

  IEEE 802.3bs規(guī)范中對(duì)于光接收機(jī)的壓力容限測(cè)試方法描述如下：通過(guò)參考的PAM4信號(hào)源與抖動(dòng)、噪聲、碼間干擾注入源，以及參考的光發(fā)射機(jī)產(chǎn)生所需的光壓力信號(hào)。

  對(duì)光壓力信號(hào)由外圍消光比OER，外光調(diào)制幅度OOMA和壓力眼圖閉合代價(jià)SECQ來(lái)表征。PAM4光壓力信號(hào)首先由一個(gè)參考光接收機(jī)進(jìn)行校準(zhǔn)，以確保其參數(shù)符合規(guī)范要求。這個(gè)接收機(jī)包含符合規(guī)范要求的理想4階貝塞爾-湯姆遜低通濾波器，規(guī)范要求的FIR均衡器以及時(shí)鐘恢復(fù)功能。

  校準(zhǔn)后的光壓力信號(hào)輸入被測(cè)接收機(jī)的一個(gè)通道，被測(cè)接收機(jī)其余通道輸入正常通信的光信號(hào)。最后由被測(cè)光模塊環(huán)回電信號(hào)到誤碼儀的誤碼檢測(cè)口，或通過(guò)接收機(jī)內(nèi)部的誤碼統(tǒng)計(jì)功能進(jìn)行誤碼和壓力靈敏度等測(cè)試。下圖是400G-DR4光模塊的光壓力眼圖測(cè)試框圖，以及各部分對(duì)應(yīng)的測(cè)試儀表。

  3.2.2 電接收機(jī)測(cè)試方法

  IEEE 802.3bs規(guī)范中對(duì)于光模塊的電輸入口的壓力容限測(cè)試方法描述如下：通過(guò)參考電發(fā)射機(jī)(通常是碼型發(fā)生器)以及抖動(dòng)注入源、碼間干擾源和串?dāng)_源，將壓力電信號(hào)輸入MCB夾具。之后將參考接收機(jī)(通常是示波器)通過(guò)HCB夾具與MCB夾具連接在一起，對(duì)壓力電信號(hào)進(jìn)行校準(zhǔn)。

  參考接收機(jī)包含符合規(guī)范要求的理想4階貝塞爾-湯姆遜濾波器，規(guī)范要求的CTLE均衡器以及時(shí)鐘恢復(fù)功能。PAM4電壓力信號(hào)由眼圖對(duì)稱模板寬度ESMW，眼寬EW，眼高EH和附加正弦抖動(dòng)SJ的頻率和幅度來(lái)表征。經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的電壓力信號(hào)接入被測(cè)模塊電輸入口被測(cè)通道，并由模塊內(nèi)的FEC誤碼檢測(cè)功能進(jìn)行誤碼與接收容限測(cè)試，或?qū)⑿盘?hào)環(huán)回輸出至外部的誤碼分析儀進(jìn)行分析。

  下圖是測(cè)試中用到的實(shí)際測(cè)試儀器。

  3.3 系統(tǒng)測(cè)試

  系統(tǒng)測(cè)試的主要目的是驗(yàn)證被測(cè)光模塊配合交換機(jī)工作時(shí)，在真實(shí)的業(yè)務(wù)流量情況下的誤碼率以及錯(cuò)誤容忍能力。400G的光模塊普遍采用了PAM4(4電平調(diào)制)技術(shù)，雖然減少了高速信號(hào)傳輸需要的帶寬，但由于信噪比的惡化，使得其原始誤碼率很難達(dá)到傳統(tǒng)2電平調(diào)制時(shí)1e-12的水平，所以其原始誤碼率的要求比較低，比如IEEE 802.3bs中對(duì)于光口誤碼率的要求僅僅為2.4e-4。

  很多通信過(guò)程在這么高的誤碼率情況下是無(wú)法正常工作的，所以FEC(前向糾錯(cuò))技術(shù)被普遍采用。FEC是通過(guò)在數(shù)據(jù)塊里插入一些冗余的校驗(yàn)bit，可以對(duì)隨機(jī)產(chǎn)生的錯(cuò)誤bit進(jìn)行修正，從而保證最終數(shù)據(jù)包的丟包率在可以接受的范圍之內(nèi)( <6.2e-11)。

  因此，系統(tǒng)測(cè)試中需要對(duì)光模塊的原始誤碼率以及經(jīng)過(guò)FEC修正后的丟包率都進(jìn)行測(cè)試，并驗(yàn)證在出現(xiàn)已定隨機(jī)錯(cuò)誤符號(hào)或者頻率偏差時(shí)系統(tǒng)性能是否受到影響。典型的系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境如下：

  其測(cè)試方法如下：在數(shù)據(jù)流量測(cè)試儀上發(fā)送64字節(jié)長(zhǎng)度連續(xù)數(shù)據(jù)幀，F(xiàn)EC修正前的BER值應(yīng)小于2.4e-4;在流量測(cè)試儀上運(yùn)行以太網(wǎng)流量測(cè)試軟件，并發(fā)送64字節(jié)長(zhǎng)度、100%線速率的數(shù)據(jù)幀，累積至少1e+12個(gè)數(shù)據(jù)幀后，讀取端口的Frame Loss Ratio值應(yīng)小于6.2e-11;在流量測(cè)試儀上進(jìn)行FEC后單個(gè)或多個(gè)(<15個(gè))的誤碼注入，并驗(yàn)證經(jīng)FEC后的誤包率滿足802.3bs的規(guī)范要求;在流量測(cè)試儀上對(duì)速率進(jìn)行100ppm的調(diào)整，并驗(yàn)證誤碼率和誤包率滿足802.3bs的規(guī)范要求。

  下圖是進(jìn)行FEC修正前的誤碼率及FEC修正后的丟包率測(cè)試的例子。

  四、測(cè)試儀器

  4.1 高性能采樣示波器(光/電眼圖儀)及時(shí)鐘恢復(fù)

  高速采樣示波器主要用于光發(fā)射機(jī)的光眼圖測(cè)試、光模塊以及AOC的電眼圖測(cè)試等，也可以用于未來(lái)電接收機(jī)以及光接收機(jī)容限測(cè)試中的信號(hào)校準(zhǔn)。眼圖儀的測(cè)試需要和信號(hào)同步的工作時(shí)鐘，當(dāng)被測(cè)件無(wú)法提供同步參考時(shí)鐘時(shí)，需要光/電時(shí)鐘恢復(fù)模塊從被測(cè)件恢復(fù)時(shí)鐘才能進(jìn)行測(cè)試。

  Keysight N1000A系列是在原86100D基礎(chǔ)之上再續(xù)經(jīng)典的采樣示波器系列，它可向下兼容原有86100D平臺(tái)上的模塊，與高帶寬并內(nèi)置CDR, PTB功能的N1060A模塊組合使用是研發(fā)階段的調(diào)試?yán)?。N1092系列光/電采樣示波器和N1077A/N1078A光/電時(shí)鐘恢復(fù)模塊是市面上集成度最高、功能最靈活的高速光/電眼圖測(cè)試儀器。其主要指標(biāo)及特性如下：

  單模/多模光口測(cè)試：工作波長(zhǎng)范圍830 至 1600 nm

  光通道速率：支持25G/28Gbps NRZ、53G/56Gbps PAM4、106G/112Gbps PAM4光信號(hào)測(cè)試

  靈敏度：-11dbm @850nm;-12.5dbm@1310nm

  差分電口測(cè)試：集成差分50GHz帶寬電口，支持32Gbps NRZ和64Gbps PAM4的電眼圖測(cè)試

  固有抖動(dòng)：≤200fs rms

  時(shí)鐘恢復(fù)：支持32Gbps NRZ和64Gbps PAM4的光/電時(shí)鐘恢復(fù)

  多通道擴(kuò)展：通過(guò)電腦USB口控制，可連接多個(gè)模塊;測(cè)試軟件支持最多8個(gè)測(cè)量模塊、共32個(gè)光或電通道的并行眼圖測(cè)試。

  軟件功能強(qiáng)大：支持100GE 802.3 發(fā)射機(jī)各種參數(shù)的測(cè)試，包括抖動(dòng)TJ, DJ, RJ, PJ, DDJ, ISI, BUJ, J1~J9, UJ, F/2, TI, DI, RI, OMA, Q值及 RIN, RIN&OMA 等測(cè)試，還包括802.3bm標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)多模信號(hào)的TDEC測(cè)試，以及400G PAM4 信號(hào)波形參數(shù)的測(cè)試以及TDECQ測(cè)試等。

  和Keysight 誤碼儀以及其他光學(xué)儀表配合，可以測(cè)試100G或400G光接收機(jī)的壓力容限，是業(yè)界唯一可以提供所有壓力容限測(cè)試方案的廠家，保證了未來(lái)測(cè)試系統(tǒng)的平滑升級(jí)。

  4.2 高速PAM4誤碼儀

  高速誤碼儀主要用于光發(fā)射機(jī)(光眼圖)測(cè)試中產(chǎn)生高質(zhì)量的電信號(hào)激勵(lì)以及誤碼率測(cè)試，也可以用于電接收機(jī)以及光接收機(jī)容限測(cè)試中產(chǎn)生帶抖動(dòng)和壓力的電信號(hào)驗(yàn)證接收容限。如果僅僅進(jìn)行光眼圖或電眼圖測(cè)試，可以用經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的高質(zhì)量的流量測(cè)試儀產(chǎn)生電信號(hào)激勵(lì)。

  Keysight M8040A誤碼儀是市面上性能最高、最靈活、連接最簡(jiǎn)單的NRZ及PAM4誤碼儀，其主要特性和指標(biāo)如下：

  高速電信號(hào)產(chǎn)生：?jiǎn)螜C(jī)箱內(nèi)可以產(chǎn)生1～2路32Gbps的NRZ信號(hào)產(chǎn)生，可以升級(jí)64Gbps的PAM4信號(hào)或128Gbps的PAM4信號(hào)功能用于400G模塊測(cè)試。

  高速電信號(hào)誤碼檢測(cè)：?jiǎn)螜C(jī)箱內(nèi)可以支持1～2路32Gbps的NRZ信號(hào)誤碼率檢測(cè)，可以升級(jí)64Gbps的PAM4信號(hào)或128Gbps的PAM4誤碼率檢測(cè)功能用于400G模塊測(cè)試。

  光壓力眼測(cè)試：可以升級(jí)100G、400G光模塊的光壓力眼測(cè)試及自動(dòng)校準(zhǔn)功能。

  預(yù)加重：可選內(nèi)置4階NRZ/PAM4信號(hào)預(yù)加重。

  抖動(dòng)注入：可選內(nèi)置NRZ/PAM4信號(hào)的PJ、RJ、BUJ等抖動(dòng)注入

  線性度調(diào)整：對(duì)PAM4信號(hào)3個(gè)眼高可獨(dú)立調(diào)整。

  接收機(jī)均衡：內(nèi)置可調(diào)CTLE均衡器，用于優(yōu)化誤碼接收。

  自動(dòng)抖動(dòng)容限測(cè)試：可根據(jù)事先設(shè)定參數(shù)自動(dòng)調(diào)整注入到信號(hào)上的抖動(dòng)頻率和大小，并根據(jù)誤碼率變化自動(dòng)掃描出抖動(dòng)容限曲線。

  PRBS碼類型：2n-1, n=7, 10, 11, 13, 15, 23, 31等。

  自定義碼型長(zhǎng)度(每通道)：2Gbit(NRZ)或1G 符號(hào)(PAM4) 。

  4.3 數(shù)據(jù)流量測(cè)試儀

  Keysight公司的數(shù)據(jù)測(cè)試儀表通過(guò)測(cè)試儀機(jī)框插入測(cè)試業(yè)務(wù)板卡的方式完成組裝，并根據(jù)插入的不同測(cè)試業(yè)務(wù)板卡提供不同的測(cè)試能力。

  Novus測(cè)試業(yè)務(wù)板卡提供QSFP28接口，K400測(cè)試業(yè)務(wù)卡提供QSFP_DD測(cè)試接口。

  QSFP28測(cè)試業(yè)務(wù)板卡支持根據(jù)IEEE協(xié)議，提供扇出(即FAN-OUT) 能力，每個(gè)QSFP28接口支持扇出成4個(gè)25GE速率SFP28接口，相關(guān)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)為IEEE 802.3 100GBASE-R、IEEE P802.3bj、IEEE P802.3bm、IEEE P802.3by。

  K400測(cè)試業(yè)務(wù)板卡支持400G、200G、100G PAM4速率轉(zhuǎn)換。基于QSFP_DD支持前向糾錯(cuò)(FEC)端口統(tǒng)計(jì)，具體的包括: Total Bit Errors, Max Symbol Errors, Corrected Codewords, Total Codewords, Uncorrectable Codewords, Frame Loss Ratio, Pre-FEC Bit Error Rate, and Codeword error distribution analysis;協(xié)議以為KP4 RS-544。

  支持對(duì)400G前向糾錯(cuò)(FEC)注入差錯(cuò)。

  支持L1 BERT測(cè)試。

  五、總結(jié)

  綜上可見(jiàn)，數(shù)據(jù)中心的光互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)正面臨從100G到400G的過(guò)渡，針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景的技術(shù)也在彼此競(jìng)爭(zhēng)。400G光模塊作為未來(lái)數(shù)據(jù)中心內(nèi)部光網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的關(guān)鍵硬件設(shè)備，也面臨速率、功耗、體積、成本等方面的挑戰(zhàn)。同時(shí)，PAM4、FEC技術(shù)的廣泛采用也使得400G光模塊的測(cè)試和評(píng)估方法與傳統(tǒng)的100G光模塊有比較大的區(qū)別。為了保證其在有限成本和功耗下的性能，需要對(duì)其光口、電口的輸出質(zhì)量、接收容限，以及承載真實(shí)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)下的誤碼率等表現(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)的測(cè)試，以保證設(shè)備間良好的互聯(lián)互通及可靠數(shù)據(jù)傳輸。

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