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100G/400G压力眼测试

摘要:在IEEE802.3规范中,针对数据中心和云计算等应用,规范规定了一系列高速接口标准。从较早的10G、40G以太网规范,到现在的100G以及正在制订中的400G以太网规范中,都要求一项重要的测试项目:接收机的压力容限(俗称 “压力眼” )。是德科技100G/400G压力眼测试方案详情见文章↓

  在IEEE802.3规范中,针对数据中心和云计算等应用,规范规定了一系列高速接口标准。从较早的10G、40G以太网规范,到现在的100G以及正在制订中的400G以太网规范中,都要求一项重要的测试项目:接收机的压力容限(俗称 “压力眼” )。因此作为100G/400G测试重头戏之一,没做过压力眼,怎么能说测试是完整的呢?

  可是因为压力眼测试定义的复杂程度以及搭建的复杂程度,对很多小伙伴而言几乎是一个只在传闻中存在的项目。

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  本文分为

  1. 100G/400G压力眼规范介绍

  2. 压力眼测试的挑战

  3. 是德科技100G/400G压力眼测试方案

  1)100G压力眼测试系统

  2)400G压力眼测试系统

  3)仪表配置和特点

  4. 方案总结

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  100G/400G压力眼规范和测试要求

  1.1

  压力眼测试的含义及必要性

  在IEEE802.3规范中,针对数据中心和云计算等应用,规范规定了一系列高速接口标准。从较早的10G、40G以太网规范,到现在的100G以及正在制订中的400G以太网规范中,都要求一项重要的测试项目:接收机的压力容限。

  在光通信收发设备和链路测试中,常见的测试参数包括眼图测试、误码率测试、灵敏度测试等。在光通信速率较低时,光接收机对链路误码的影响还不明显,通常只需要检测发射机眼图合格,接收功率正常而不是过低即可保证链路正常工作。随着通信速率的提升,设计人员会遇到不同接收机的性能差异越来越大,而单纯的灵敏度指标已经无法保证光接收机可互换适配使用。为了对接收机一致性进行衡量,IEEE规范提出了接收机压力容限一致性的要求。

  压力眼测试的含义

  压力容限测试的含义是测试接收机在恶劣的输入信号情况下,是否能够正常工作。具体的测试原理是使用测试仪表产生一个劣化的光眼图信号,称为压力眼信号。

  压力眼信号的参数有明确规定,例如VECP,J2,J9等。在不同的规范中压力眼的具体指标会有不同。通过校准后的压力眼会输入被测接收机,在这种情况下对接收机灵敏度和抖动容限进行测试

  压力眼测试的必要性

  与常用的灵敏度测试不同,压力眼测试使用了精确添加抖动和噪声等干扰的发射信号,来模拟实际通信链路中接收机所收到的信号失真。在灵敏度测试中一般只使用干净的发射信号,这时得到的灵敏度会更高,也不包含接收机对信号失真的响应变化。

  压力眼测试更能说明接收机在最差工作条件下的性能,也更贴近实际工作场景。然而压力眼一致性测试比灵敏度测试的搭建难度更高,测试速度慢,是之前压力眼测试的实际数量远少于灵敏度测试的原因。

  随着测试技术发展以及光通信速率的提升,压力眼测试的重要性和必要性也在不断提升,业界也越来越关注压力眼测试这项指标。

  以下会以100GBASE-LR4/ER4以及400GBASE-FR8 / LR8为例,介绍100G/400G压力眼的定义和测试规范。

  1.2

  100G压力眼测试规范

  下表中标出了100GBASE-LR4和100GBASE-ER4中,对于接收机压力测试的要求。

图 1

  规范定义的测试点在TP3,即接收机的输入端口。在这个测试点输入压力眼信号后,要求接收机在灵敏度功率下达到10^-12以下的误码率。

图 2

  在100GBASE-LR4/ER4中,对于压力眼的参数具体定义包含J2,J9, VECP三个参数,参数的含义见下图3:

图 3

  VECP是垂直眼图闭合代价的缩写,其数值等于光调制幅度OMA和眼高A0的比值。VECP值越高,说明垂直方向上由噪声和眼图失真引起的眼图闭合越大。

  J2的定义是在眼图交叉点位置水平方向上采样的集合中,中央(1-10^-2)=99% 部分所占的时间长度。使用浴盆曲线进行抖动分析时,J2对应着BER=2.5*10^-3时的总抖动值。

  同样的,J9对应着抖动采样集合中中央 (1-10^-9) 的部分。使用总抖动方式表示时,J9 = TJ (BER = 2.5*10^ - 10)。

  为了产生符合要求的VECP、J2、J9参数,IEEE802.3规范中还给出了参考的硬件系统框图,见下图4:

图 4

  其中stress conditioning的部分功能是产生带压力的电信号,将电信号通过E/O转换器转换为压力光信号,再经过参考接收机的校准完成压力眼信号的产生。

  符合要求的光压力眼信号之后被插入到被测接收机的一条lane中,另外三条lane传输正常通信的信号。

  最后对插入压力眼信号的lane进行接收机灵敏度,以及压力抖动容限测试

  以上即为100G压力眼测试的完整流程。

  可以看到规范中对于压力眼产生的系统描述很复杂,如果要自行搭建这样的系统,是很消耗时间和精力的。因此我们需要集成度高,易于调试的仪表来产生压力眼电信号,例如集成噪声注入,抖动注入,产生码间干扰等功能的误码仪。

  1.3

  400G压力眼测试规范

  以下表格中是802.3bs draft文档中关于400GBASE-FR8/LR8的压力眼测试指标:

图 5

  测试点的定义和100G压力眼类似,都是在TP3位置进行测试。灵敏度的测试要求FEC之前的误码率不高于2.4*10^-4。

图 6

  对于PAM4压力眼,主要要求的两个参数是outer OMA和SECQ。

  Outer OMA的计算方法是从PAM4信号波形中,提取连续的7个“3”符号中央的2UI,以及连续的6个“0”符号中央2UI的平均值作为3电平和0电平的平均值。然后将3电平和0电平的平均值做差得到outer OMA。

  SECQ参数的定义与PAM4发射机的TDECQ参数基本一致,只是将TDECQ测试中要求的测试光纤跳线(test fiber)去除了。TDECQ的测试由采样示波器完成,其测试原理较复杂,不在本文档介绍范围之内。

图 7

  上图是PAM4压力眼测试结构框图,其中stress conditioning部分相比于100G压力眼有较大变化。在PAM4压力眼中,使用一个正弦噪声和一个高斯噪声叠加在数据信号上,并通过低通滤波器来实现码间干扰的注入。400G光压力眼的校准使用采样示波器,进行outer OMA和SECQ的测量。

  与100G压力眼测试系统相比,400G压力眼系统主要有以下几个变化:

  误码仪从原本的NRZ格式变为PAM4格式,需要支持PAM4信号的产生和误码分析;

  PAM4压力眼的指标与NRZ不同,需要新的产生压力的功能来满足400G压力眼要求;

  同时校准过程中使用的示波器也需要支持OOMA和SECQ等PAM4光眼图测试项目。

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