100 Gb/s通信系统物理层测试应用指南

1. 引言

在过去十年中，大量的带宽密集型应用迅猛增长。影视点播、IP语音、云计算和存储技术对带宽的胃口非常大，这些技术推动了100 Gb/s技术的部署。

高速串行(HSS)技术的强大动力、其抗噪声差分信令及抗抖动嵌入式时钟、外加眼图闭合均衡功能，在以前想象不到的印刷电路板(PCB)长度上实现了25+ Gb/s的速率。把多条并行的HSS链路结合在一起，简化了把100G信号传输到光接口收发机的过程，可以简便地连接到光纤骨干上。其结果，许多数据通信技术和电信技术正在使用100 Gb以太网(100 GbE)传输信号，包括SAS、Infiniband、乃至光纤通道，其甚至正在替代古老的SONET/SDH。

业内正在争相部署100G技术，但在25+ Gb/s速率下整个行业的经验不足，因此更需要了解波形与数字信号误码率(BER)的关系。比如，25 Gb/s下的位周期是40 ps，抖动预算几乎消失，3 ps的随机抖动使眼图闭合，新兴标准允许的RJ一般低于700 fs。

本应用指南涵盖了装配100G系统必需的发射机和接收机测试。由于每种25+ Gb/s HSS技术都有共同的主题，因此我们将考察100 GbE一致性测试要求，同时指出其它高速系统(如光纤通道的32GFEC)之间的差异。在100 GbE规范存在空白时，如在25-28 Gb/s电接口信令中，我们将采用光学互通论坛公共电接口实现协议(OIF-CEI)。

在执行测试时，我们将遇到抖动、噪声和串扰相互影响等常见问题。在介绍一致性测试后，我们将提供测试建议，以帮助诊断不满足标准的元器件和系统，测量性能余量。

2. 新兴的100 Gb/s和相关标准

许多标准建议执行测试，以保证元器件的互操作能力。在本节中，我们将概括这些技术规范，参见表1。一定要记住，大多数标准还没有出版，我们引用的数字应视为预计的典型值，但在进行一致性测试时，应检查实际标准中的具体数值！

技术规范一般是以类似于法律的工程术语编写的，因此我们编写了这一指南，作为辅助资料，阐明测试本身、测试的作用以及怎样执行测试。

在电气方面，这些技术一般拥有以下特点：均衡性、单向、100欧姆、差分信令并采用嵌入式时钟、低压摆幅、非归零(NRZ)信号、多条通道。

由于同一术语在不同规范之间有不同叫法，因此我们首先要明确可能产生的误解。在本文中，我们要区分数据速率和净荷速率：数据速率是指原始数据传播的速率；净荷数据不包括纠错和编码开销，因此净荷速率≤数据速率。由于我们只讨论NRZ信令，因此我们使用Gb/s而不是Gbaud，并把“符号”和“位”(或码)视为相同的术语。

2.1. 100 GbE – IEEE Std 802.3ba

我们将考察两个已经确定的100 GbE光传输规范，参见表一。IEEE Std 802.3ba标准包括这两个规范：远距离光传输规范100GBASE-LR4，扩展距离光传输规范100GBASE-ER4。这两种规范之间的区别主要在接收端。与LR4接收机相比，ER4接收机的灵敏度更高，必须能够通过更难的压力容限测试。

在本应用指南编写时，短距离传输规范100GBASE-SR4、4×25 Gb/s低成本多模(MM)标准及通过电缆和背板传输的电接口标准100GBASE-CR4和100GBASEKR4都正在开发之中。在这些规范完成时，100GBASE规范将提供一套完整的光学互连系统。

图1. 2000年与2015年光传输收入比较(图片版权：2012年Heavy Reading版权所有)。

[图示内容：]

The Shifting Trends in Optical Spend: 光学开支转移趋势

Worldwide Optical Transport Revenue, 2000 and 2015 (%): 全球光学传输收入，2000年和2015年(%)

OTN Ethernet: OTN以太网

30 billion: 300亿

18 billion: 180亿

Source: Heavy Reading, 2012: 资料来源：Heavy Reading, 2012年

SONET/SDH

在过去十年中，以太网已经成为所有网络的首选技术，包括数据通信网络和电信网络。图1预测到2015年，ONET/SDH在光学传输收入中的占比将从70%下跌到不到15%。

2.2. 100 OIF CEI

OIF-CEI实现协议(IAs)没有像IEEE的802.3ba 100 GbE或光纤通道规范那样规定一致性测试。相反，其重点放在了信息性测试和标准化测试上，试图保证元器件在不同标准之间的互操作能力。从某种意义上来说，“标准化”测试与一致性测试类似，委员会规定标准化测试的目是保证互操作能力；而“信息化”测试则是推荐性的，以更深入地了解性能和余量。在本指南中，我们摘录了两个OIF-CEI IA，参见表1。

短距离IA、OIF-28G-SR在300 mm的PCB上由19.90-28.05 Gb/s差分对的多条通路组成，最多有一条连接在BER 10-15下工作。

超短距离IA、OIF-28G-VSR还没有出版，但我们摘取了初步版本中的指引信息。它由19.60-28.05 Gb/s的多条电通路组成，用来在Serdes (在IA中叫作主机)和收发机(在IA中叫作模块)之间传送信号。Serdes和收发机可以相距大约100 mm的PCB到连接器距离，外加50 mm左右的传导轨迹；系统的工作BER必须 10-15。

2.3. 光纤通道32GFC

高速率光纤通道标准32GFC的数据速率为28.05 Gb/s。32GFC实现了28.05 Gb/s技术，之所以出现这种名称上的混淆，是因为每一代技术的名称都希望表示净荷速率(而不是数据速率)比上一代技术翻了一番。这一混淆始于从8GFC转向16GFC时开销大幅度下降，数据速率从8.5 Gb/s提高到14.025 Gb/s，但净荷速率从6.4 Gb/s翻番到12.8 Gb/s。32GFC的净荷速率是25.6 Gb/s，是16GFC的两倍；而数据速率是28.05 Gb/s，远远低于32GFC缩写暗示的速率。

在本指南编写时，32GFC还没有出版，初步版本的参考值很少。

图2. 图(a) 4×25 Gb/s 100G Serdes-收发机WDM光学系统，图(b) 4×25 Gb/s 100G Serdes-收发机光学系统，图(c) 4×25 Gb/s 100G Serdes到Serdes电接口系统。图中没有显示对称返回路径。

[图示内容：]

Transceiver: 收发机

3. 100G系统测试

图2是典型的100G系统的构成部分图。Serdes串行化信号，传送四个25+ Gb/s差分对。可以集成Serdes，也可以每个输出包括多个不同组件。25+ Gb/s电信号从Serdes传送到光接口收发机。收发机对信号再定时，在单模(SM)或多模(MM)光纤上传送光学版本信号。第二台收发机接收光信号，把信号转换成电信号，然后传送到另一个Serdes进行解串行化。纯电信号采用相同的方式，而没有收发机驱动的中间光学信令。

不管是发射机测试还是接收机测试，不管是光接口还是电接口，我们都使用测试码型，把元器件的每个方面和系统的每个组件投入测试。伪随机二进制序列(PRBSn)是标准化的码型，拥有n位的每个置换。OIF CID抖动容限码型旨在拥有PRBS31最激进的元素，外加连续相同(CID)位的72位序列，但采用的是可管理的长度。

泰克BERTScope误码率测试仪提供了100G通信使用的所有测试码型，包括PRBS31、加扰空闲或相关的每个常用测试码型及用户设计的任何码型，长度最长128 Mb。

图3. 受到(a)同步串扰和(b)异步串扰影响的眼图。

所有发射机测试，包括电接口发射机和光接口发射机，都应在每条系统通道双向活动的情况下进行，以包括所有合理的串扰干扰源。为防止不切实际的数据相关干扰，串扰通道上的码型测试应不同于测试信号码型。如果每个汇总器不可能传送唯一的码型，至少应在码型之间引入足够的延迟，以便这些码型不会被同步。

基于多种原因，串扰通道还应该采用同步定时运行：首先，除特殊情况外，每条通道都有一个时钟，这个时钟从输入数据中独立恢复。在每个时钟以相同的标称速率运行时，它们既没有锁频，也没有锁相，也就是说，它们没有同步。第二，如图3所示，同步串扰的属性不同于同步串扰。每次在汇总器进行逻辑跳变时，都会在测试信号眼图的相同区域发生同步串扰劣化。另一方面，同步串扰会导致随机定时劣化。

如果Serdes集成在拥有多个串行化输出的一块芯片上，您必须注意芯片间串扰。如果多个输出使用一个公共时钟定时，那么这些输出应该活动，与测试通道同步，每条通道应发送一个唯一的信号。

由于PCB的频响会损害高频成分，几厘米的PCB中多块Serdes芯片之间或Serdes和收发机之间的电信号要求进行信号调节：在发射机上预加重，在接收机上均衡。

加压的接收机容限测试旨在保证每台满足标准的接收机即使在最坏情况标准输入信号下，仍能在指定BER下工作。对100 GbE IEEE 802.3ba和光纤通道32GFC，指定BER是10-12；对OIF-CEI，指定BER是10-15。

3.1. 光接口发射机测试

表3汇总了发射机建议。

图4a和图4b显示了100GBASE-SR4和100GBASEER4 4×25 Gb/s形状的100 GbE的光接口眼图。眼图模板中使用的归一化逻辑电平0和1使用眼图中央0.2 UI的下半部分和上半部分确定。

可以在DSA8300低噪声等效时间采样示波器或BERTScope上执行眼图模板测试。不管使用哪种设备，宽带宽光电接收机和时钟恢复单元都必不可少。时钟恢复-3 dB带宽在不同技术规范之间是不同的，一般为fdata/1667，CR286A满足了这一要求。CR286A是一种完全基于数字的二阶锁相环(PLL)模块，支持用户指定拐角频率，能够追踪直到24 MHz的抖动。

光电接收机应该使用四阶Bessel-Thompson滤波器，参考频率是数据速率的四分之三，即3/4 fdata。其中没有包括滤波器，以提供标准光接口接收机的近似响应；但是，规范要求使用滤波器，以便不同的测试平台能够在统一的测量条件下运行。

图4a. 低通Bessel-Thompson滤波器对加压眼图校准的影响。滚降频率成分超过20 GHz。图片摘自IEEE802.3ba标准。

[图示内容：]

Jitter Histogram (at waveform average, may not at waist): 抖动直方图(在波形平均值处，可能不在腰部)

Vertical Eye Closure Histograms (at time-center of eye): 垂直眼图闭合直方图(在眼图的时间中心)

Approximate OMA (difference of means of histograms): 近似的OMA (直方图平均值之差)

图4b. BERTScope上的100GbE眼图模板。

通过要求最低“命中率”(hit ratio)，可以满足模板测试的随机特点。命中率定义为模板违规数量与每单位间隔采集的样点总数之比。由于这是一个统计指标，因此要注意，命中数越高，精度越高。

如果发射机的命中率低于5×10-5，那么这台发射机是满足规范的。

也可以在BERTScope或配有80SJNB抖动和噪声分析软件的DSA8300上更简便地测量BER轮廓，而且在统计上更可靠。只要BER=10-6轮廓位于模板外面，那么图5a中的发射机会通过5×10-5命中率眼图测试。BER轮廓技术还可以更简便地查看发射机通过测试时的余量。如图5b所示，BERTScope使用BER轮廓，评估信号的J9性能，并增加了余量性能(30 Gb/sec)。