100G/400G壓力眼測試

  在IEEE802.3規范中，針對數據中心和云計算等應用，規范規定了一系列高速接口標準。從較早的10G、40G以太網規范，到現在的100G以及正在制訂中的400G以太網規范中，都要求一項重要的測試項目：接收機的壓力容限(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雜程度以及搭建的復雜程度，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壓力眼規范介紹

  2. 壓力眼測試的挑戰

  3. 是德科技100G/400G壓力眼測試方案

  1)100G壓力眼測試系統

  2)400G壓力眼測試系統

  3)儀表配置和特點

  4. 方案總結

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  100G/400G壓力眼規范和測試要求

  1.1

  壓力眼測試的含義及必要性

  在IEEE802.3規范中，針對數據中心和云計算等應用，規范規定了一系列高速接口標準。從較早的10G、40G以太網規范，到現在的100G以及正在制訂中的400G以太網規范中，都要求一項重要的測試項目：接收機的壓力容限。

  在光通信收發設備和鏈路測試中，常見的測試參數包括眼圖測試、誤碼率測試、靈敏度測試等。在光通信速率較低時，光接收機對鏈路誤碼的影響還不明顯，通常只需要檢測發射機眼圖合格，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，設計人員會遇到不同接收機的性能差異越來越大，而單純的靈敏度指標已經無法保證光接收機可互換適配使用。為了對接收機一致性進行衡量，IEEE規范提出了接收機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。

  壓力眼信號的參數有明確規定，例如VECP，J2，J9等。在不同的規范中壓力眼的具體指標會有不同。通過校準后的壓力眼會輸入被測接收機，在這種情況下對接收機靈敏度和抖動容限進行測試。

  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射信號，來模擬實際通信鏈路中接收機所收到的信號失真。在靈敏度測試中一般只使用干凈的發射信號，這時得到的靈敏度會更高，也不包含接收機對信號失真的響應變化。

  壓力眼測試更能說明接收機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量遠少于靈敏度測試的原因。

  隨著測試技術發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，業界也越來越關注壓力眼測試這項指標。

  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范。

  1.2

  100G壓力眼測試規范

  下表中標出了100GBASE-LR4和100GBASE-ER4中，對于接收機壓力測試的要求。

圖 1

  規范定義的測試點在TP3，即接收機的輸入端口。在這個測試點輸入壓力眼信號后，要求接收機在靈敏度功率下達到10^-12以下的誤碼率。

圖 2

  在100GBASE-LR4/ER4中，對于壓力眼的參數具體定義包含J2，J9， VECP三個參數，參數的含義見下圖3：

圖 3

  VECP是垂直眼圖閉合代價的縮寫，其數值等于光調制幅度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。使用浴盆曲線進行抖動分析時，J2對應著BER=2.5*10^-3時的總抖動值。

  同樣的，J9對應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)。

  為了產生符合要求的VECP、J2、J9參數，IEEE802.3規范中還給出了參考的硬件系統框圖，見下圖4：

圖 4

  其中stress conditioning的部分功能是產生帶壓力的電信號，將電信號通過E/O轉換器轉換為壓力光信號，再經過參考接收機的校準完成壓力眼信號的產生。

  符合要求的光壓力眼信號之后被插入到被測接收機的一條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進行接收機靈敏度，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。

  可以看到規范中對于壓力眼產生的系統描述很復雜，如果要自行搭建這樣的系統，是很消耗時間和精力的。因此我們需要集成度高，易于調試的儀表來產生壓力眼電信號，例如集成噪聲注入，抖動注入，產生碼間干擾等功能的誤碼儀。

  1.3

  400G壓力眼測試規范

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

圖 5

  測試點的定義和100G壓力眼類似，都是在TP3位置進行測試。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是outer OMA和SECQ。

  Outer OMA的計算方法是從PAM4信號波形中，提取連續的7個“3”符號中央的2UI，以及連續的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參數的定義與PAM4發射機的TDECQ參數基本一致，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，其測試原理較復雜，不在本文檔介紹范圍之內。

圖 7

  上圖是PAM4壓力眼測試結構框圖，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據信號上，并通過低通濾波器來實現碼間干擾的注入。400G光壓力眼的校準使用采樣示波器，進行outer OMA和SECQ的測量。

  與100G壓力眼測試系統相比，400G壓力眼系統主要有以下幾個變化：

  誤碼儀從原本的NRZ格式變為PAM4格式，需要支持PAM4信號的產生和誤碼分析;

  PAM4壓力眼的指標與NRZ不同，需要新的產生壓力的功能來滿足400G壓力眼要求;

  同時校準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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