1. 引言

在過去十年中，大量的帶寬密集型應用迅猛增長。影視點播、IP語音、云計算和存儲技術對帶寬的胃口非常大，這些技術推動了100 Gb/s技術的部署。

高速串行(HSS)技術的強大動力、其抗噪聲差分信令及抗抖動嵌入式時鐘、外加眼圖閉合均衡功能，在以前想象不到的印刷電路板(PCB)長度上實現了25+ Gb/s的速率。把多條并行的HSS鏈路結合在一起，簡化了把100G信號傳輸到光接口收發機的過程，可以簡便地連接到光纖骨干上。其結果，許多數據通信技術和電信技術正在使用100 Gb以太網(100 GbE)傳輸信號，包括SAS、Infiniband、乃至光纖通道，其甚至正在替代古老的SONET/SDH。

業內正在爭相部署100G技術，但在25+ Gb/s速率下整個行業的經驗不足，因此更需要了解波形與數字信號誤碼率(BER)的關系。比如，25 Gb/s下的位周期是40 ps，抖動預算幾乎消失，3 ps的隨機抖動使眼圖閉合，新興標準允許的RJ一般低于700 fs。

本應用指南涵蓋了裝配100G系統必需的發射機和接收機測試。由于每種25+ Gb/s HSS技術都有共同的主題，因此我們將考察100 GbE一致性測試要求，同時指出其它高速系統(如光纖通道的32GFEC)之間的差異。在100 GbE規范存在空白時，如在25-28 Gb/s電接口信令中，我們將采用光學互通論壇公共電接口實現協議(OIF-CEI)。

在執行測試時，我們將遇到抖動、噪聲和串擾相互影響等常見問題。在介紹一致性測試后，我們將提供測試建議，以幫助診斷不滿足標準的元器件和系統，測量性能余量。

2. 新興的100 Gb/s和相關標準

許多標準建議執行測試，以保證元器件的互操作能力。在本節中，我們將概括這些技術規范，參見表1。一定要記住，大多數標準還沒有出版，我們引用的數字應視為預計的典型值，但在進行一致性測試時，應檢查實際標準中的具體數值！

技術規范一般是以類似于法律的工程術語編寫的，因此我們編寫了這一指南，作為輔助資料，闡明測試本身、測試的作用以及怎樣執行測試。

在電氣方面，這些技術一般擁有以下特點：均衡性、單向、100歐姆、差分信令并采用嵌入式時鐘、低壓擺幅、非歸零(NRZ)信號、多條通道。

由于同一術語在不同規范之間有不同叫法，因此我們首先要明確可能產生的誤解。在本文中，我們要區分數據速率和凈荷速率：數據速率是指原始數據傳播的速率；凈荷數據不包括糾錯和編碼開銷，因此凈荷速率≤數據速率。由于我們只討論NRZ信令，因此我們使用Gb/s而不是Gbaud，并把“符號”和“位”(或碼)視為相同的術語。

2.1. 100 GbE – IEEE Std 802.3ba

我們將考察兩個已經確定的100 GbE光傳輸規范，參見表一。IEEE Std 802.3ba標準包括這兩個規范：遠距離光傳輸規范100GBASE-LR4，擴展距離光傳輸規范100GBASE-ER4。這兩種規范之間的區別主要在接收端。與LR4接收機相比，ER4接收機的靈敏度更高，必須能夠通過更難的壓力容限測試。

在本應用指南編寫時，短距離傳輸規范100GBASE-SR4、4×25 Gb/s低成本多模(MM)標準及通過電纜和背板傳輸的電接口標準100GBASE-CR4和100GBASEKR4都正在開發之中。在這些規范完成時，100GBASE規范將提供一套完整的光學互連系統。

圖1. 2000年與2015年光傳輸收入比較(圖片版權：2012年Heavy Reading版權所有)。

[圖示內容：]

The Shifting Trends in Optical Spend: 光學開支轉移趨勢

Worldwide Optical Transport Revenue, 2000 and 2015 (%): 全球光學傳輸收入，2000年和2015年(%)

OTN Ethernet: OTN以太網

30 billion: 300億

18 billion: 180億

Source: Heavy Reading, 2012: 資料來源：Heavy Reading, 2012年

SONET/SDH

在過去十年中，以太網已經成為所有網絡的首選技術，包括數據通信網絡和電信網絡。圖1預測到2015年，ONET/SDH在光學傳輸收入中的占比將從70%下跌到不到15%。

2.2. 100 OIF CEI

OIF-CEI實現協議(IAs)沒有像IEEE的802.3ba 100 GbE或光纖通道規范那樣規定一致性測試。相反，其重點放在了信息性測試和標準化測試上，試圖保證元器件在不同標準之間的互操作能力。從某種意義上來說，“標準化”測試與一致性測試類似，委員會規定標準化測試的目是保證互操作能力；而“信息化”測試則是推薦性的，以更深入地了解性能和余量。在本指南中，我們摘錄了兩個OIF-CEI IA，參見表1。

短距離IA、OIF-28G-SR在300 mm的PCB上由19.90-28.05 Gb/s差分對的多條通路組成，最多有一條連接在BER 10-15下工作。

超短距離IA、OIF-28G-VSR還沒有出版，但我們摘取了初步版本中的指引信息。它由19.60-28.05 Gb/s的多條電通路組成，用來在Serdes (在IA中叫作主機)和收發機(在IA中叫作模塊)之間傳送信號。Serdes和收發機可以相距大約100 mm的PCB到連接器距離，外加50 mm左右的傳導軌跡；系統的工作BER必須 10-15。

2.3. 光纖通道32GFC

高速率光纖通道標準32GFC的數據速率為28.05 Gb/s。32GFC實現了28.05 Gb/s技術，之所以出現這種名稱上的混淆，是因為每一代技術的名稱都希望表示凈荷速率(而不是數據速率)比上一代技術翻了一番。這一混淆始于從8GFC轉向16GFC時開銷大幅度下降，數據速率從8.5 Gb/s提高到14.025 Gb/s，但凈荷速率從6.4 Gb/s翻番到12.8 Gb/s。32GFC的凈荷速率是25.6 Gb/s，是16GFC的兩倍；而數據速率是28.05 Gb/s，遠遠低于32GFC縮寫暗示的速率。

在本指南編寫時，32GFC還沒有出版，初步版本的參考值很少。

圖2. 圖(a) 4×25 Gb/s 100G Serdes-收發機WDM光學系統，圖(b) 4×25 Gb/s 100G Serdes-收發機光學系統，圖(c) 4×25 Gb/s 100G Serdes到Serdes電接口系統。圖中沒有顯示對稱返回路徑。

[圖示內容：]

Transceiver: 收發機

3. 100G系統測試

圖2是典型的100G系統的構成部分圖。Serdes串行化信號，傳送四個25+ Gb/s差分對。可以集成Serdes，也可以每個輸出包括多個不同組件。25+ Gb/s電信號從Serdes傳送到光接口收發機。收發機對信號再定時，在單模(SM)或多模(MM)光纖上傳送光學版本信號。第二臺收發機接收光信號，把信號轉換成電信號，然后傳送到另一個Serdes進行解串行化。純電信號采用相同的方式，而沒有收發機驅動的中間光學信令。

不管是發射機測試還是接收機測試，不管是光接口還是電接口，我們都使用測試碼型，把元器件的每個方面和系統的每個組件投入測試。偽隨機二進制序列(PRBSn)是標準化的碼型，擁有n位的每個置換。OIF CID抖動容限碼型旨在擁有PRBS31最激進的元素，外加連續相同(CID)位的72位序列，但采用的是可管理的長度。

泰克BERTScope誤碼率測試儀提供了100G通信使用的所有測試碼型，包括PRBS31、加擾空閑或相關的每個常用測試碼型及用戶設計的任何碼型，長度最長128 Mb。

圖3. 受到(a)同步串擾和(b)異步串擾影響的眼圖。

所有發射機測試，包括電接口發射機和光接口發射機，都應在每條系統通道雙向活動的情況下進行，以包括所有合理的串擾干擾源。為防止不切實際的數據相關干擾，串擾通道上的碼型測試應不同于測試信號碼型。如果每個匯總器不可能傳送唯一的碼型，至少應在碼型之間引入足夠的延遲，以便這些碼型不會被同步。

基于多種原因，串擾通道還應該采用同步定時運行：首先，除特殊情況外，每條通道都有一個時鐘，這個時鐘從輸入數據中獨立恢復。在每個時鐘以相同的標稱速率運行時，它們既沒有鎖頻，也沒有鎖相，也就是說，它們沒有同步。第二，如圖3所示，同步串擾的屬性不同于同步串擾。每次在匯總器進行邏輯跳變時，都會在測試信號眼圖的相同區域發生同步串擾劣化。另一方面，同步串擾會導致隨機定時劣化。

如果Serdes集成在擁有多個串行化輸出的一塊芯片上，您必須注意芯片間串擾。如果多個輸出使用一個公共時鐘定時，那么這些輸出應該活動，與測試通道同步，每條通道應發送一個唯一的信號。

由于PCB的頻響會損害高頻成分，幾厘米的PCB中多塊Serdes芯片之間或Serdes和收發機之間的電信號要求進行信號調節：在發射機上預加重，在接收機上均衡。

加壓的接收機容限測試旨在保證每臺滿足標準的接收機即使在最壞情況標準輸入信號下，仍能在指定BER下工作。對100 GbE IEEE 802.3ba和光纖通道32GFC，指定BER是10-12；對OIF-CEI，指定BER是10-15。

3.1. 光接口發射機測試

表3匯總了發射機建議。

圖4a和圖4b顯示了100GBASE-SR4和100GBASEER4 4×25 Gb/s形狀的100 GbE的光接口眼圖。眼圖模板中使用的歸一化邏輯電平0和1使用眼圖中央0.2 UI的下半部分和上半部分確定。

可以在DSA8300低噪聲等效時間采樣示波器或BERTScope上執行眼圖模板測試。不管使用哪種設備，寬帶寬光電接收機和時鐘恢復單元都必不可少。時鐘恢復-3 dB帶寬在不同技術規范之間是不同的，一般為fdata/1667，CR286A滿足了這一要求。CR286A是一種完全基于數字的二階鎖相環(PLL)模塊，支持用戶指定拐角頻率，能夠追蹤直到24 MHz的抖動。

光電接收機應該使用四階Bessel-Thompson濾波器，參考頻率是數據速率的四分之三，即3/4 fdata。其中沒有包括濾波器，以提供標準光接口接收機的近似響應；但是，規范要求使用濾波器，以便不同的測試平臺能夠在統一的測量條件下運行。

圖4a. 低通Bessel-Thompson濾波器對加壓眼圖校準的影響。滾降頻率成分超過20 GHz。圖片摘自IEEE802.3ba標準。

[圖示內容：]

Jitter Histogram (at waveform average, may not at waist): 抖動直方圖(在波形平均值處，可能不在腰部)

Vertical Eye Closure Histograms (at time-center of eye): 垂直眼圖閉合直方圖(在眼圖的時間中心)

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

圖4b. BERTScope上的100GbE眼圖模板。

通過要求最低“命中率”(hit ratio)，可以滿足模板測試的隨機特點。命中率定義為模板違規數量與每單位間隔采集的樣點總數之比。由于這是一個統計指標，因此要注意，命中數越高，精度越高。

如果發射機的命中率低于5×10-5，那么這臺發射機是滿足規范的。

也可以在BERTScope或配有80SJNB抖動和噪聲分析軟件的DSA8300上更簡便地測量BER輪廓，而且在統計上更可靠。只要BER=10-6輪廓位于模板外面，那么圖5a中的發射機會通過5×10-5命中率眼圖測試。BER輪廓技術還可以更簡便地查看發射機通過測試時的余量。如圖5b所示，BERTScope使用BER輪廓，評估信號的J9性能，并增加了余量性能(30 Gb/sec)。