用于4Gbps 850nm FC接收機(jī)的極限參數(shù)測(cè)試源

2019-11-04 22:45:25

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供稿：網(wǎng)友

　　概述
　　對(duì)任何一個(gè)無差錯(cuò)（帶有余量）的光傳輸鏈路而言，整個(gè)鏈路中的每一個(gè)元器件都必須滿足嚴(yán)格的性能指標(biāo)。由于鏈路上的元器件分別由不同的供貨商提供，所以在最差的條件下，這些元器件仍然能一起協(xié)調(diào)的工作顯得非常重要。由于鏈路數(shù)據(jù)速率在不斷地提高，而傳輸每吉比特的價(jià)格卻在持續(xù)下降，因此上述的需求就顯得更加緊迫。
　　
　　光纖通道標(biāo)準(zhǔn)（其他的標(biāo)準(zhǔn)，如萬兆以太網(wǎng)）定義了規(guī)范和測(cè)試方法以保證來自不同廠商的元器件能夠在系統(tǒng)中協(xié)調(diào)的工作，并且對(duì)最差條件下的鏈路留有一定的余量。對(duì)鏈路中的每一個(gè)元器件都分配了抖動(dòng)規(guī)范（串并轉(zhuǎn)換器，發(fā)射機(jī)，光纖，接收機(jī)，PWB等）。但是一個(gè)重要的接收機(jī)測(cè)試參數(shù)—極限接收靈敏度通常被忽略。極限測(cè)試是用來評(píng)價(jià)接收機(jī)在眼圖閉合度最差時(shí)的性能指標(biāo)，眼圖閉合度也指符號(hào)間干擾（ISI）。例如，在一般情況下，接收機(jī)靈敏度性能測(cè)試還比較滿足，但是在極限條件下測(cè)試，接收機(jī)的性能指標(biāo)就變得無法接受。與僅測(cè)試接收機(jī)小信號(hào)帶寬相比，極限測(cè)試（時(shí)域的誤碼測(cè)試）能夠提供更豐富的指標(biāo)信息。多年以來，針對(duì)擴(kuò)展鏈路模型，標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)制定了ISI的規(guī)范和必要的測(cè)試功率。這些規(guī)范主要包括數(shù)據(jù)速率、信號(hào)源邊沿速率、光纖特性和鏈路工作波長(zhǎng)等。4Gbps FC的最大ISI是針對(duì)850nm的62 m光纖鏈路（2.14dB）。本文闡述了如何利用MAX3748評(píng)估板、T形偏置、貝塞爾－湯姆遜（BT）濾波器和4Gbps 850nm的VCSEL來產(chǎn)生極限測(cè)試源。
　　
　　測(cè)試極限眼圖所需要的條件
　　極限眼圖包括抖動(dòng)和ISI。表1給出了眼圖閉合度的指標(biāo)要求，該指標(biāo)來自光纖通道規(guī)范[i]。
　　
　　由于占空比失真（DCD）的存在，表1專門給出了確定性抖動(dòng)（DJ）。DJ在垂直眼圖閉合度的測(cè)試中導(dǎo)致了不對(duì)稱，極大的降低了系統(tǒng)帶寬，因此DJ是鏈路中所必須測(cè)試的參數(shù)。鏈路中產(chǎn)生DCD的一個(gè)可能原因是激光器的接通延時(shí)，這會(huì)導(dǎo)致一個(gè)短的“開”持續(xù)和一個(gè)長(zhǎng)的“關(guān)”持續(xù)的出現(xiàn)。
　　
　　本篇筆記主要闡述針對(duì)62μm光纖在最差眼圖閉合度條件下，如何產(chǎn)生4.25Gbps的極限眼圖。假如測(cè)試單元在這樣的條件下能夠有良好的指標(biāo)性能，那么針對(duì)50μm光纖會(huì)有更好的指標(biāo)。圖1是一個(gè)理想的極限眼圖，該眼圖包括ISI和由DCD引起的0.085UI（20psec）的DJ。
　　　用于4Gbps 850nm FC接收機(jī)的極限參數(shù)測(cè)試源（圖一）

用于4Gbps 850nm FC接收機(jī)的極限參數(shù)測(cè)試源（圖一）

　　表1：針對(duì)多模極限眼圖的光纖通道抖動(dòng)要求概要
　　
　　下面將主要闡述針對(duì)62 m光纖在最差眼圖閉合度條件下，如何產(chǎn)生4.25Gbps的極限眼圖。假如測(cè)試單元在這樣的條件下能夠有良好的指標(biāo)性能，那么針對(duì)50 m光纖會(huì)有更好的指標(biāo)。圖1是一個(gè)理想的極限眼圖，該眼圖包括ISI和由DCD引起的0.085UI（20psec）的DJ。
　　　用于4Gbps 850nm FC接收機(jī)的極限參數(shù)測(cè)試源（圖二）

用于4Gbps 850nm FC接收機(jī)的極限參數(shù)測(cè)試源（圖二）

　　圖1　含有ISI和DCD DJ的仿真“理想”極根眼圖（水平軸以前單位間隔UI給出）。DCD　DJ的存在，導(dǎo)致在邏輯“1”（AoP）處的ISI（閉合度）明顯比邏輯“0”處的大。
　　
　　規(guī)范1中對(duì)眼圖閉合度的定義是：
　　
　　垂直眼圖閉合度代價(jià)
　　
　　= -10 log ( A_{O}/A_{N}) ~ 2.1 dB (1)
　　
　　其中A0和AN的定義在圖1中給出。
　　
　　采用一個(gè)實(shí)際的元器件產(chǎn)生4.2Gbps的所示眼圖比較難。產(chǎn)生DCD需要非線性器件，例如后置放大器的補(bǔ)償。一般很難產(chǎn)生不含模式抖動(dòng)的一個(gè)很純的DCD。該眼圖的一個(gè)特點(diǎn)是其垂直張開相對(duì)于零平均值的不對(duì)稱性。包括DCD的有效眼圖閉合度為：
　　
　　有效垂直閉合度（dB）
　　
　　= -10 log( 2 A_{0P}/A_{N}) = 2.6 dB (2)
　　
　　誤碼率主要由最近通過均值或者限幅域值的閉合來決定。
　　
　　圖1的例子中，該閉合是在邏輯“1”上的，主要是產(chǎn)生一個(gè)含有DJ（可能是模式DJ）的眼圖，但要包括2.6dB的有效垂直閉合，該閉合是相對(duì)于均值“1”，“0”。
　　
　　圖2是含有0.09UI的模式抖動(dòng)的仿真眼圖，該眼圖中含有很少的或者沒有DCD。當(dāng)加入DCD以獲得同樣的最壞眼圖閉合度（2.6dB）時(shí)，需要緩慢降低波形的上升和下降時(shí)間，來加入附加的眼圖閉合度。
　　
　　有效垂直閉合度（圖2）
　　
　　=-10 log(2 0.55/2) =2.6dB (3)
　　　用于4Gbps 850nm FC接收機(jī)的極限參數(shù)測(cè)試源（圖三）

用于4Gbps 850nm FC接收機(jī)的極限參數(shù)測(cè)試源（圖三）

　　圖2　含有2.6dB ISI的仿真“近似”極限眼圖。該例中含有很少的DCD DJ?；蛘邲]有加入DCD　DJ。邏輯“1”上的ISI（閉合度）僅比邏輯“0”上稍高。
　　
　　產(chǎn)生極限眼圖
　　圖3是產(chǎn)生和測(cè)試極限眼圖的裝置，它同光纖通道標(biāo)準(zhǔn)中的一個(gè)模塊相似。
　　
　　極限眼圖產(chǎn)生主要包括以下模塊
　　
　　1)低通濾波器
　　
　　2)限幅放大器
　　
　　3)4階BT濾波器
　　
　　4)偏置網(wǎng)絡(luò)
　　
　　5)VCSEL光源
　　
　　第一個(gè)低通濾波器產(chǎn)生模式DJ，它有效降低數(shù)據(jù)的邊緣速率，使模式抖動(dòng)在限幅放大器的過零處產(chǎn)生。濾波器可以是一段同軸電纜，也可以是一個(gè)集總元件濾波器。在限幅放大器的輸入端加入一個(gè)簡(jiǎn)單的電容也能產(chǎn)生需要的DJ。該例中在4.2Gbps速率上產(chǎn)生了足夠的剩余DJ，在測(cè)試系統(tǒng)（模式產(chǎn)生器，后置放大器和光源）中，不需要再加入濾波器。
　　
　　然后限幅放大器去掉第一個(gè)濾波器產(chǎn)生的任何ISI，保留DJ。假如不需要第一個(gè)濾波器，并且模式產(chǎn)生器的輸出不會(huì)變化，那就可以去掉限幅放大器。MAX3748限幅放大器可以采用單端輸入，未被使用的輸入端接50 的終端。
　　
　　限幅放大器之后是貝塞爾－湯姆遜線性相位濾波器，用來附加所需的ISI。ISI的數(shù)量，以及后置放大器的速率、T形偏置和光源本身決定了濾波器的帶寬。由于這些濾波器的參數(shù)值是固定的，因此得到所需要的ISI就需要建立幾個(gè)不同的模型，通過選擇一個(gè)具有稍高帶寬的濾波器和并入一個(gè)0.5pF的電容可以進(jìn)行微調(diào)（在濾波器外部加入集總元件會(huì)對(duì)相位響應(yīng)造成沖擊，產(chǎn)生過沖或者失真）。
　　　用于4Gbps 850nm FC接收機(jī)的極限參數(shù)測(cè)試源（圖四）

用于4Gbps 850nm FC接收機(jī)的極限參數(shù)測(cè)試源（圖四）

　　圖3　進(jìn)行極限眼圖測(cè)試的模塊結(jié)構(gòu)圖
　　
　　外部信號(hào)源通過寬帶T形偏置來注入偏置電流。這個(gè)外部信號(hào)源可以是一個(gè)電流源或者帶有串聯(lián)電阻的電壓源。
　　
　　VCSEL將電的極限眼圖轉(zhuǎn)換為光眼圖。建議使用高速的VCSEL，不然會(huì)對(duì)電的極限眼圖造成影響，而額外進(jìn)行波形的調(diào)整。采用引線處理的盡可能短的VCSEL，焊在PWB末端的連接器上。
　　
　　圖4所示是用來產(chǎn)生極限眼圖的主要元器件。
　　　用于4Gbps 850nm FC接收機(jī)的極限參數(shù)測(cè)試源（圖五）

用于4Gbps 850nm FC接收機(jī)的極限參數(shù)測(cè)試源（圖五）

　　圖4　產(chǎn)生極限眼圖的元器件
　　
　　從左到右依次是限幅放大器，4階BT濾波器，T形偏置器，VCSEL。該系統(tǒng)中有足夠的剩余DJ，因此不需要在后置放大器的輸入端附加濾波器或者電容。
　　　用于4Gbps 850nm FC接收機(jī)的極限參數(shù)測(cè)試源（圖六）

　　表2是產(chǎn)生極限眼圖元器件的列表
　　
　　圖5是采用一個(gè)高速光電轉(zhuǎn)換器（O/E）測(cè)量的實(shí)際極限眼圖。估算的O/E和示波器帶寬為8GHz。推薦在光鏈路極限測(cè)試中采用3360光纖通道比特測(cè)試模式CRPAT。圖5中的極限眼圖是掃描測(cè)試序列中的所有比特后得到的。最大的眼圖閉合度是在邏輯“1”處，大約為2.5dB，這已經(jīng)接近目標(biāo)閉合度。眼圖閉合度并不需要非常精確。在一個(gè)完全的線性系統(tǒng)中，眼圖張開處的誤碼可以簡(jiǎn)單的通過調(diào)整極限靈敏度參數(shù)來補(bǔ)償。但是，接收極限靈敏度由于ISI的增加會(huì)變成非線性。這是由接收機(jī)基帶的漂移或者發(fā)射機(jī)的相對(duì)強(qiáng)度噪聲（RIN）引起的。
　　　用于4Gbps 850nm FC接收機(jī)的極限參數(shù)測(cè)試源（圖七）

用于4Gbps 850nm FC接收機(jī)的極限參數(shù)測(cè)試源（圖七）

　　圖5 采用寬帶O/E測(cè)得的極限眼圖。眼圖閉合度大約為2.5dB
　　
　　光源的消光比較低，大約為6dB。連上和去掉跳線JU8對(duì)于MAX3748的驅(qū)動(dòng)電平會(huì)有一到兩倍的差別（去掉該跳線為0.2V p-p，連上為0.4V p-p）。調(diào)整激光器偏置電流（和消光比）可以獲得最佳的眼圖。
　　
　　眼圖中，非凡是在邏輯“1”處能夠觀察到噪聲。這可能是當(dāng)3360比特掃描時(shí)，由RIN在示波器上積累造成的。RIN噪聲是由發(fā)射機(jī)而不是接收機(jī)產(chǎn)生的。但是，當(dāng)眼圖閉合度增加時(shí)，發(fā)射端的RIN會(huì)對(duì)接收機(jī)極限靈敏度造成非線性影響。為了限制由發(fā)射機(jī)RIN產(chǎn)生的非線性影響，通常的經(jīng)驗(yàn)是維持最差時(shí)的眼圖閉合（TX＋RX＋光纖）在3dB在或者更低。
　　
　　進(jìn)行極限測(cè)試
　　當(dāng)建立好極限眼圖模板后，可以采用圖3中的結(jié)構(gòu)來進(jìn)行實(shí)際的極限靈敏度測(cè)量。該例中，所測(cè)試的接收機(jī)（RX）含有一個(gè)ROSA，它由Maxim TIA和其后的Maxim高速后置放大器組成，針對(duì)ROSA和后置放大器的協(xié)同工作進(jìn)行極限測(cè)試。
　　　用于4Gbps 850nm FC接收機(jī)的極限參數(shù)測(cè)試源（圖八）

用于4Gbps 850nm FC接收機(jī)的極限參數(shù)測(cè)試源（圖八）

　　圖6 ROSA差分極限輸出眼圖
　　
　　圖6是在沒有后置放大器的ROSA輸出所測(cè)得的極限眼圖（差分條件下測(cè)得）。估算的眼圖閉合度由極限測(cè)試源測(cè)得的2.5dB上升到3dB。由于TIA的帶寬限制，同>8GHz的參考接收機(jī)相比，產(chǎn)生了預(yù)期的眼圖閉合度的增加。同極限測(cè)試源測(cè)得的DJ相比，觀察到的DJ沒有明顯的增加。
　　
　　圖7是在4.2Gbps時(shí)，采用CRPAT測(cè)試模式所測(cè)得的兩條BER曲線。左邊一條曲線是采用高速、非極限條件下的850nm光源。右邊的曲線是在采用圖3的結(jié)構(gòu)和使用極限眼圖產(chǎn)生器所測(cè)得的。水平軸以光調(diào)制幅度（OMA）dBm的形式表示。10～12的誤碼率可以推斷出極限功率代價(jià)在3.5dB和4dB之間。隨著光功率的增加，這兩條曲線在水平方向上的間隔逐漸增大。這是由前面討論的發(fā)射機(jī)的RIN特性造成的，也可能由所測(cè)試的接收機(jī)一些實(shí)際性能造成的。所估算的極限靈敏度和規(guī)范定義的靈敏度之間留有足夠的余量。通

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