用于4Gbps 850nm FC接收机的极限参数测试源

2019-11-04 22:45:25

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供稿：网友

　　概述
　　对任何一个无差错（带有余量）的光传输链路而言，整个链路中的每一个元器件都必须满足严格的性能指标。由于链路上的元器件分别由不同的供货商提供，所以在最差的条件下，这些元器件仍然能一起协调的工作显得非常重要。由于链路数据速率在不断地提高，而传输每吉比特的价格却在持续下降，因此上述的需求就显得更加紧迫。
　　
　　光纤通道标准（其他的标准，如万兆以太网）定义了规范和测试方法以保证来自不同厂商的元器件能够在系统中协调的工作，并且对最差条件下的链路留有一定的余量。对链路中的每一个元器件都分配了抖动规范（串并转换器，发射机，光纤，接收机，PWB等）。但是一个重要的接收机测试参数—极限接收灵敏度通常被忽略。极限测试是用来评价接收机在眼图闭合度最差时的性能指标，眼图闭合度也指符号间干扰（ISI）。例如，在一般情况下，接收机灵敏度性能测试还比较满足，但是在极限条件下测试，接收机的性能指标就变得无法接受。与仅测试接收机小信号带宽相比，极限测试（时域的误码测试）能够提供更丰富的指标信息。多年以来，针对扩展链路模型，标准委员会制定了ISI的规范和必要的测试功率。这些规范主要包括数据速率、信号源边沿速率、光纤特性和链路工作波长等。4Gbps FC的最大ISI是针对850nm的62 m光纤链路（2.14dB）。本文阐述了如何利用MAX3748评估板、T形偏置、贝塞尔－汤姆逊（BT）滤波器和4Gbps 850nm的VCSEL来产生极限测试源。
　　
　　测试极限眼图所需要的条件
　　极限眼图包括抖动和ISI。表1给出了眼图闭合度的指标要求，该指标来自光纤通道规范[i]。
　　
　　由于占空比失真（DCD）的存在，表1专门给出了确定性抖动（DJ）。DJ在垂直眼图闭合度的测试中导致了不对称，极大的降低了系统带宽，因此DJ是链路中所必须测试的参数。链路中产生DCD的一个可能原因是激光器的接通延时，这会导致一个短的“开”持续和一个长的“关”持续的出现。
　　
　　本篇笔记主要阐述针对62μm光纤在最差眼图闭合度条件下，如何产生4.25Gbps的极限眼图。假如测试单元在这样的条件下能够有良好的指标性能，那么针对50μm光纤会有更好的指标。图1是一个理想的极限眼图，该眼图包括ISI和由DCD引起的0.085UI（20psec）的DJ。
　　　用于4Gbps 850nm FC接收机的极限参数测试源（图一）

　　表1：针对多模极限眼图的光纤通道抖动要求概要
　　
　　下面将主要阐述针对62 m光纤在最差眼图闭合度条件下，如何产生4.25Gbps的极限眼图。假如测试单元在这样的条件下能够有良好的指标性能，那么针对50 m光纤会有更好的指标。图1是一个理想的极限眼图，该眼图包括ISI和由DCD引起的0.085UI（20psec）的DJ。
　　　用于4Gbps 850nm FC接收机的极限参数测试源（图二）

　　图1　含有ISI和DCD DJ的仿真“理想”极根眼图（水平轴以前单位间隔UI给出）。DCD　DJ的存在，导致在逻辑“1”（AoP）处的ISI（闭合度）明显比逻辑“0”处的大。
　　
　　规范1中对眼图闭合度的定义是：
　　
　　垂直眼图闭合度代价
　　
　　= -10 log ( A_{O}/A_{N}) ~ 2.1 dB (1)
　　
　　其中A0和AN的定义在图1中给出。
　　
　　采用一个实际的元器件产生4.2Gbps的所示眼图比较难。产生DCD需要非线性器件，例如后置放大器的补偿。一般很难产生不含模式抖动的一个很纯的DCD。该眼图的一个特点是其垂直张开相对于零平均值的不对称性。包括DCD的有效眼图闭合度为：
　　
　　有效垂直闭合度（dB）
　　
　　= -10 log( 2 A_{0P}/A_{N}) = 2.6 dB (2)
　　
　　误码率主要由最近通过均值或者限幅域值的闭合来决定。
　　
　　图1的例子中，该闭合是在逻辑“1”上的，主要是产生一个含有DJ（可能是模式DJ）的眼图，但要包括2.6dB的有效垂直闭合，该闭合是相对于均值“1”，“0”。
　　
　　图2是含有0.09UI的模式抖动的仿真眼图，该眼图中含有很少的或者没有DCD。当加入DCD以获得同样的最坏眼图闭合度（2.6dB）时，需要缓慢降低波形的上升和下降时间，来加入附加的眼图闭合度。
　　
　　有效垂直闭合度（图2）
　　
　　=-10 log(2 0.55/2) =2.6dB (3)
　　　用于4Gbps 850nm FC接收机的极限参数测试源（图三）

　　图2　含有2.6dB ISI的仿真“近似”极限眼图。该例中含有很少的DCD DJ。或者没有加入DCD　DJ。逻辑“1”上的ISI（闭合度）仅比逻辑“0”上稍高。
　　
　　产生极限眼图
　　图3是产生和测试极限眼图的装置，它同光纤通道标准中的一个模块相似。
　　
　　极限眼图产生主要包括以下模块
　　
　　1)低通滤波器
　　
　　2)限幅放大器
　　
　　3)4阶BT滤波器
　　
　　4)偏置网络
　　
　　5)VCSEL光源
　　
　　第一个低通滤波器产生模式DJ，它有效降低数据的边缘速率，使模式抖动在限幅放大器的过零处产生。滤波器可以是一段同轴电缆，也可以是一个集总元件滤波器。在限幅放大器的输入端加入一个简单的电容也能产生需要的DJ。该例中在4.2Gbps速率上产生了足够的剩余DJ，在测试系统（模式产生器，后置放大器和光源）中，不需要再加入滤波器。
　　
　　然后限幅放大器去掉第一个滤波器产生的任何ISI，保留DJ。假如不需要第一个滤波器，并且模式产生器的输出不会变化，那就可以去掉限幅放大器。MAX3748限幅放大器可以采用单端输入，未被使用的输入端接50 的终端。
　　
　　限幅放大器之后是贝塞尔－汤姆逊线性相位滤波器，用来附加所需的ISI。ISI的数量，以及后置放大器的速率、T形偏置和光源本身决定了滤波器的带宽。由于这些滤波器的参数值是固定的，因此得到所需要的ISI就需要建立几个不同的模型，通过选择一个具有稍高带宽的滤波器和并入一个0.5pF的电容可以进行微调（在滤波器外部加入集总元件会对相位响应造成冲击，产生过冲或者失真）。
　　　用于4Gbps 850nm FC接收机的极限参数测试源（图四）

　　图3　进行极限眼图测试的模块结构图
　　
　　外部信号源通过宽带T形偏置来注入偏置电流。这个外部信号源可以是一个电流源或者带有串联电阻的电压源。
　　
　　VCSEL将电的极限眼图转换为光眼图。建议使用高速的VCSEL，不然会对电的极限眼图造成影响，而额外进行波形的调整。采用引线处理的尽可能短的VCSEL，焊在PWB末端的连接器上。
　　
　　图4所示是用来产生极限眼图的主要元器件。
　　　用于4Gbps 850nm FC接收机的极限参数测试源（图五）

　　图4　产生极限眼图的元器件
　　
　　从左到右依次是限幅放大器，4阶BT滤波器，T形偏置器，VCSEL。该系统中有足够的剩余DJ，因此不需要在后置放大器的输入端附加滤波器或者电容。
　　　用于4Gbps 850nm FC接收机的极限参数测试源（图六）

　　表2是产生极限眼图元器件的列表
　　
　　图5是采用一个高速光电转换器（O/E）测量的实际极限眼图。估算的O/E和示波器带宽为8GHz。推荐在光链路极限测试中采用3360光纤通道比特测试模式CRPAT。图5中的极限眼图是扫描测试序列中的所有比特后得到的。最大的眼图闭合度是在逻辑“1”处，大约为2.5dB，这已经接近目标闭合度。眼图闭合度并不需要非常精确。在一个完全的线性系统中，眼图张开处的误码可以简单的通过调整极限灵敏度参数来补偿。但是，接收极限灵敏度由于ISI的增加会变成非线性。这是由接收机基带的漂移或者发射机的相对强度噪声（RIN）引起的。
　　　用于4Gbps 850nm FC接收机的极限参数测试源（图七）

　　图5 采用宽带O/E测得的极限眼图。眼图闭合度大约为2.5dB
　　
　　光源的消光比较低，大约为6dB。连上和去掉跳线JU8对于MAX3748的驱动电平会有一到两倍的差别（去掉该跳线为0.2V p-p，连上为0.4V p-p）。调整激光器偏置电流（和消光比）可以获得最佳的眼图。
　　
　　眼图中，非凡是在逻辑“1”处能够观察到噪声。这可能是当3360比特扫描时，由RIN在示波器上积累造成的。RIN噪声是由发射机而不是接收机产生的。但是，当眼图闭合度增加时，发射端的RIN会对接收机极限灵敏度造成非线性影响。为了限制由发射机RIN产生的非线性影响，通常的经验是维持最差时的眼图闭合（TX＋RX＋光纤）在3dB在或者更低。
　　
　　进行极限测试
　　当建立好极限眼图模板后，可以采用图3中的结构来进行实际的极限灵敏度测量。该例中，所测试的接收机（RX）含有一个ROSA，它由Maxim TIA和其后的Maxim高速后置放大器组成，针对ROSA和后置放大器的协同工作进行极限测试。
　　　用于4Gbps 850nm FC接收机的极限参数测试源（图八）

　　图6 ROSA差分极限输出眼图
　　
　　图6是在没有后置放大器的ROSA输出所测得的极限眼图（差分条件下测得）。估算的眼图闭合度由极限测试源测得的2.5dB上升到3dB。由于TIA的带宽限制，同>8GHz的参考接收机相比，产生了预期的眼图闭合度的增加。同极限测试源测得的DJ相比，观察到的DJ没有明显的增加。
　　
　　图7是在4.2Gbps时，采用CRPAT测试模式所测得的两条BER曲线。左边一条曲线是采用高速、非极限条件下的850nm光源。右边的曲线是在采用图3的结构和使用极限眼图产生器所测得的。水平轴以光调制幅度（OMA）dBm的形式表示。10～12的误码率可以推断出极限功率代价在3.5dB和4dB之间。随着光功率的增加，这两条曲线在水平方向上的间隔逐渐增大。这是由前面讨论的发射机的RIN特性造成的，也可能由所测试的接收机一些实际性能造成的。所估算的极限灵敏度和规范定义的灵敏度之间留有足够的余量。通

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