用于4Gbps 850nm FC接收機的極限參數測試源

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　　概述
　　對任何一個無差錯（帶有余量）的光傳輸鏈路而言，整個鏈路中的每一個元器件都必須滿足嚴格的性能指標。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調的工作顯得非常重要。

由于鏈路數據速率在不斷地提高，而傳輸每吉比特的價格卻在持續下降，因此上述的需求就顯得更加緊迫。
　　
　　光纖通道標準（其他的標準，如萬兆以太網）定義了規范和測試方法以保證來自不同廠商的元器件能夠在系統中協調的工作，并且對最差條件下的鏈路留有一定的余量。對鏈路中的每一個元器件都分配了抖動規范（串并轉換器，發射機，光纖，接收機，PWB等）。但是一個重要的接收機測試參數—極限接收靈敏度通常被忽略。極限測試是用來評價接收機在眼圖閉合度最差時的性能指標，眼圖閉合度也指符號間干擾（ISI）。例如，在一般情況下，接收機靈敏度性能測試還比較滿意，但是在極限條件下測試，接收機的性能指標就變得無法接受。與僅測試接收機小信號帶寬相比，極限測試（時域的誤碼測試）能夠提供更豐富的指標信息。多年以來，針對擴展鏈路模型，標準委員會制定了ISI的規范和必要的測試功率。這些規范主要包括數據速率、信號源邊沿速率、光纖特性和鏈路工作波長等。4Gbps FC的最大ISI是針對850nm的62 m光纖鏈路（2.14dB）。本文闡述了如何利用MAX3748評估板、T形偏置、貝塞爾－湯姆遜（BT）濾波器和4Gbps 850nm的VCSEL來產生極限測試源。
　　
　　測試極限眼圖所需要的條件
　　極限眼圖包括抖動和ISI。表1給出了眼圖閉合度的指標要求，該指標來自光纖通道規范[i]。
　　
　　由于占空比失真（DCD）的存在，表1專門給出了確定性抖動（DJ）。DJ在垂直眼圖閉合度的測試中導致了不對稱，極大的降低了系統帶寬，因此DJ是鏈路中所必須測試的參數。鏈路中產生DCD的一個可能原因是激光器的接通延時，這會導致一個短的“開”持續和一個長的“關”持續的出現。
　　
　　本篇筆記主要闡述針對62μm光纖在最差眼圖閉合度條件下，如何產生4.25Gbps的極限眼圖。如果測試單元在這樣的條件下能夠有良好的指標性能，那么針對50μm光纖會有更好的指標。圖1是一個理想的極限眼圖，該眼圖包括ISI和由DCD引起的0.085UI（20psec）的DJ。
　　　
　　表1：針對多模極限眼圖的光纖通道抖動要求概要
　　
　　下面將主要闡述針對62 m光纖在最差眼圖閉合度條件下，如何產生4.25Gbps的極限眼圖。如果測試單元在這樣的條件下能夠有良好的指標性能，那么針對50 m光纖會有更好的指標。圖1是一個理想的極限眼圖，該眼圖包括ISI和由DCD引起的0.085UI（20psec）的DJ。
　　　
　　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，導致在邏輯“1”（AoP）處的ISI（閉合度）明顯比邏輯“0”處的大。
　　
　　規范1中對眼圖閉合度的定義是：
　　
　　垂直眼圖閉合度代價
　　
　　= -10 log ( A_{O}/A_{N}) ~ 2.1 dB (1)
　　
　　其中A0和AN的定義在圖1中給出。
　　
　　采用一個實際的元器件產生4.2Gbps的所示眼圖比較難。產生DCD需要非線性器件，例如后置放大器的補償。一般很難產生不含模式抖動的一個很純的DCD。該眼圖的一個特點是其垂直張開相對于零平均值的不對稱性。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，主要是產生一個含有DJ（可能是模式DJ）的眼圖，但要包括2.6dB的有效垂直閉合，該閉合是相對于均值“1”，“0”。
　　
　　圖2是含有0.09UI的模式抖動的仿真眼圖，該眼圖中含有很少的或者沒有DCD。當加入DCD以獲得同樣的最壞眼圖閉合度（2.6dB）時，需要緩慢降低波形的上升和下降時間，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)
　　　
　　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。
　　
　　產生極限眼圖
　　圖3是產生和測試極限眼圖的裝置，它同光纖通道標準中的一個模塊相似。
　　
　　極限眼圖產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)偏置網絡
　　
　　5)VCSEL光源
　　
　　第一個低通濾波器產生模式DJ，它有效降低數據的邊緣速率，使模式抖動在限幅放大器的過零處產生。濾波器可以是一段同軸電纜，也可以是一個集總元件濾波器。在限幅放大器的輸入端加入一個簡單的電容也能產生需要的DJ。該例中在4.2Gbps速率上產生了足夠的剩余DJ，在測試系統（模式產生器，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濾波器產生的任何ISI，保留DJ。如果不需要第一個濾波器，并且模式產生器的輸出不會變化，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值是固定的，因此得到所需要的ISI就需要建立幾個不同的模型，通過選擇一個具有稍高帶寬的濾波器和并入一個0.5pF的電容可以進行微調（在濾波器外部加入集總元件會對相位響應造成沖擊，產生過沖或者失真）。
　　　
　　圖3　進行極限眼圖測試的模塊結構圖
　　
　　外部信號源通過寬帶T形偏置來注入偏置電流。這個外部信號源可以是一個電流源或者帶有串聯電阻的電壓源。
　　
　　VCSEL將電的極限眼圖轉換為光眼圖。建議使用高速的VCSEL，不然會對電的極限眼圖造成影響，而額外進行波形的調整。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所示是用來產生極限眼圖的主要元器件。
　　　
　　圖4　產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。
　　　
　　表2是產生極限眼圖元器件的列表
　　
　　圖5是采用一個高速光電轉換器（O/E）測量的實際極限眼圖。估算的O/E和示波器帶寬為8GHz。推薦在光鏈路極限測試中采用3360光纖通道比特測試模式CRPAT。圖5中的極限眼圖是掃描測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，這已經接近目標閉合度。眼圖閉合度并不需要非常精確。在一個完全的線性系統中，眼圖張開處的誤碼可以簡單的通過調整極限靈敏度參數來補償。但是，接收極限靈敏度由于ISI的增加會變成非線性。這是由接收機基帶的漂移或者發射機的相對強度噪聲（RIN）引起的。
　　　
　　圖5 采用寬帶O/E測得的極限眼圖。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對于MAX3748的驅動電平會有一到兩倍的差別（去掉該跳線為0.2V p-p，連上為0.4V p-p）。調整激光器偏置電流（和消光比）可以獲得最佳的眼圖。
　　
　　眼圖中，特別是在邏輯“1”處能夠觀察到噪聲。這可能是當3360比特掃描時，由RIN在示波器上積累造成的。RIN噪聲是由發射機而不是接收機產生的。但是，當眼圖閉合度增加時，發射端的RIN會對接收機極限靈敏度造成非線性影響。為了限制由發射機RIN產生的非線性影響，通常的經驗是維持最差時的眼圖閉合（TX＋RX＋光纖）在3dB在或者更低。
　　
　　進行極限測試
　　當建立好極限眼圖模板后，可以采用圖3中的結構來進行實際的極限靈敏度測量。該例中，所測試的接收機（RX）含有一個ROSA，它由Maxim TIA和其后的Maxim高速后置放大器組成，針對ROSA和后置放大器的協同工作進行極限測試。
　　　
　　圖6 ROSA差分極限輸出眼圖
　　
　　圖6是在沒有后置放大器的ROSA輸出所測得的極限眼圖（差分條件下測得）。估算的眼圖閉合度由極限測試源測得的2.5dB上升到3dB。由于TIA的帶寬限制，同>8GHz的參考接收機相比，產生了預期的眼圖閉合度的增加。同極限測試源測得的DJ相比，觀察到的DJ沒有明顯的增加。
　　
　　圖7是在4.2Gbps時，采用CRPAT測試模式所測得的兩條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的結構和使用極限眼圖產生器所測得的。水平軸以光調制幅度（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射機的RIN特性造成的，也可能由所測試的接收機一些實際性能造成的。所估算的極限靈敏度和規范定義的靈敏度之間留有足夠的余量。通

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