神秘的TDECQ

2020-11-20 14:41:44 深圳市瑞普高电子有限公司 7

采用了 100G 标准的数据中心仍在向 200G / 400G 升级,升级的原因与流量的持续增长有关,未来的数据中心和网络基础设施将支持纷繁复杂的大流量应用诸如超高清视频流,新视频游戏和虚拟现实内容,人工智能,无人驾驶和移动5G网络等功能。大数据传输从100G跨越到200G、400G时代时, 底层信号也从NRZ(0,1)两电平过渡, 进入PAM4(0, 1, 2, 3)四电平信号。近年来江湖中常常会听到TDECQ这个拗口的词, 显然它与PAM4有着密不可分的关系。但是冗长的名字,复杂的数学模型, 总让它和大家有着神秘的距离感, 因此常常有小伙伴问: 传说中的这个TDECQ,它到底是个啥啊?

TDECQ

全称是Transmitter and Dispersion Eye Closure for PAM4 (发射机色散眼图闭合代价),它是衡量PAM4光信号质量的非常重要的一个参数。

名字中有眼图,看起来好像很亲切很熟悉,可是TDECQ还真跟眼图没啥关系。

由于IEEE802.3bs/cd规范里面对于PAM4光接口的指标取消了模板余量(Mask margin),即我们熟悉的眼图测试,取而代之TDECQ变成了无论生产还是研发都必测的一个参数。

所以究竟什么是TDECQ?

这还要从它的“前世”说起,但在开篇之前,你还是要有一个初步的概念,文中提到的TDP, TDEC和TDECQ既然是彼此的前世今生,其实实质上还是一个东西即它们所代表的物理意义是一样的,即两种状态下灵敏度的差值:理想参考发射机的灵敏度与被测发射机及光链路情况下的灵敏度差值。



TDECQ的“前世”——TDP和TDEC


为了更好的理解TDECQ的物理含义,我们要先回顾一下TDPTDEC


 1.TDP 

(Transmitter and Dispersion Penalty)


TDP 的官方称呼和解释是:

TDP(Transmitter and Dispersion Penalty发射机色散代价)最早出现于2002年发布的IEEE802.3ae中针对10GBase-SR/LR/ER的发射机指标规范中,后续的IEEE802.3的各章节规范包括100GBase-LR4/ER4等都延用了这一参数。


那为什么标准规范中一直有TDP这个参数,然而大家却很少测试它甚至都很少听说过它呢?

简单回答这个问题的话,你可以理解为虽然TDP从物理含义上是最能直观反映光发射机性能如何的一个参数,但从测试角度来看进行TDP测试的难度很大。


举个登山的例子来讲可能你会更清楚一点:

在我们前行的道路上, 会不断遇到高山挡住去路,要想继续往前走,只能选择要么绕着走,要不就大胆的翻过去。如果能绕道走,当然最好是绕道走,虽然登顶后站在巅峰可以一览众山小,这个道理咱们都明白,但是难度也大啊,这正如TDP测试,在NRZ时代,虽然大家都明白这个测试参数更能反映真实的光发射机性能,但是实现此测试的难度却非常大。


可是搭建测试的难度有多大呢,可以从规范要求的TDP搭建框图了解一下:


下图1是IEEE802.3规范中对于「TDP的搭建框图」:


image.png

图1 IEEE802.3规范中对于TDP的测试框图



TDP的测试流程」如下:

 A  对于一个理想的参考发射机(图1 中的Reference Transmitter),利用光衰减器(Optical Attenuator)、参考接收机(Reference Receiver)、误码仪(BERT)等进行误码率在1e-12下的灵敏度的测试,记录这时的灵敏度即最小功率,P0 ;


 B  用被测光发射机(DUT)替代前面的参考发射机,并且在链路中加入光纤、偏振控制器、光分路器、光反射计等,目的是使得光链路的色散、插入损耗和回波损耗满足以下表格要求:

image.png

表1


 C  在此光链路的基础上,用和步骤A相同的参考接收机和误码仪再次进行误码率在1e-12 下的灵敏度的测试,记录这时的灵敏度PDUT 


 D  最后计算TDP = PDUT P0


从上面流程可以看出,TDP就是两种情况下的灵敏度的差值:

◉ 一个是理想参考发射机的灵敏度,

◉ 另一个是被测发射机+光链路情况下的灵敏度。

所以从物理含义上说,TDP非常清晰直观。

但另一方面,从上面的流程也可以看出测试上有许多“坑”,也就是为啥这个指标这么好大家却都不用它的原因是:

  • 如何找到理想参考发射机?

    IEEE802.3规范的确对理想参考发射机的基本参数进行了规定,但现实当中即使用仪表级别的参考发射机都很难保证同时满足所有要求。

  • 如何构建满足要求的光链路?

    该光链路看起来就比较复杂,完全满足色散、损耗、回波损耗就不是一件容易的事情。

  • 需要测试1e-12下的灵敏度,就只能用误码仪了,但这会增加仪表成本,需要的测试时间也不短。

    例如,要达到95%的置信度的话,对于10Gbps的误码率的测试,需要十几分钟才能测试到1e-12的水平。

总之,TDP看起来很美好,但测试起来就头大,所以有条件有勇气攀登TDP这座大山的人就少之又少了,既然翻不过去,就要想办法看看能否绕过去,在实际测试中,大家更喜欢用另一个参数——「模板余量」(mask margin)来作为评估光发射机的性能指标之一。模板余量虽然测试简单,但标准协议并没有规定具体余量的要求,只能是业内自行协商了。


但也正是由于TDP完美又直观的物理含义,人们依旧没有放弃对它的追求,依然在寻找将其实用化的机会。

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 2.TDEC 

(Transmitter and Dispersion Eye Closure)


随着100G-SR4的出现,这个机会出现在了2015年发布的 IEEE802.3bm 的标准规范中,只不过这一次,人们为了进行区别,换了一个名字,叫

TDEC (Transmitter and Dispersion Eye Closure)。

这时候,标准的要求发生了一些变化,带来了新的契机,具体是对误码率的要求有了变化,看样子是要迎来TDEC、TDP的春天了

在100G-SR4中,光链路不再是要求无误码传输,而是可以容忍5e-5的误码率,当然最终是通过FEC(前向纠错码)技术来保证整个系统的光传输性能。这里不考虑FEC的问题,所以可以认为5e-5误码率是IEEE802.3标准对于100G-SR4的要求。


为什么说光链路误码率从1e-12变成了5e-5后就迎来了TDP(这里应该叫TDEC)的春天了呢?

那是因为要测试到1e-12水平的误码率,至少要比较1e-13数量级的比特数目,示波器无法短时间采集到这么多数据因此无能为力,只能依靠误码仪;而对于5e-5的误码率,示波器只需要采集到1e6数量级(1M级别)的点数就可以了,这是在短时间内很容易做到的,所以就不需要误码仪了,一台采样示波器就可以进行测试了。


当然,还需要解决的问题是如何获取理想的参考发射机?

这一次人们极大的发挥了自己的聪明才智,创造了一系列算法,用数学的方式来构建理想的参考发射机模型,所有的测试过程都依靠算法,这样就极大简化了测试环境的搭建。


TDEC的测试框图」如下图2所示:


image.png

图2 TDEC的测试框图


◉ 和之前的TDP框图比较来看,已经简化了许多,图中的Optical spliiter+Variable reflector也还是为了达到一定的回波损耗要求;

◉ 图中没有显示多模光纤,那是不是不考虑色散的影响了呢?其实不然。人们已经把多模光纤的模间色散的影响折算成了带宽的代价,

◉ 这里要注意的是TDEC是只针对SR4标准,所以对于100G-SR4的TDEC的测试,一般测试25G信号测试滤波器带宽不是传统的19.3GHz,而是变成了12.6GHz。


下面具体说明一下「TDEC是如何得到的」?

 A  对于于进入示波器的光信号,在图3的蓝色方框区域(0.4UI和0.6UI,每个方框宽度0.04UI)画直方图,该区域也是标准中指定的测试TDEC的区域。假设该区域内的计算的误码率BER不高于目标误码率5e-5

image.png

图3


 B  利用算法给该区域内的信号加入噪声来引入误码,一直加噪声到误码率达到5e-5为止,例如下图4的红色标识。

image.png

图4


 C  示波器内部根据前面输入信号的幅度和周期构造理想信号模型,并在该理想信号的相同区域用算法加入噪声,直至误码率达到5e-5为止,如下图5绿色标识。

image.png

图5


 D  最后将绿色代表的加入噪声和之前红色代表的加入噪声进行比值,取dB单位,就得到了TDEC,如图6。

image.png

图6

从上面的流程可以看出,TDEC的测试就非常简单了,仪表方面只需要一个采样示波器就可以(当然完全按照标准规范还需要CDR),并且测试速度很快,只需要2s左右即可完成。

到此为止,TDEC是一个兼具完美直观的物理含义和简单测试方法的参数,然而由于100G-SR4测试中模板余量的存在,人们依然习惯了模板的测试,而使得TDEC的存在感还是比较低。但是,这为后面的TDECQ的诞生打下了一个坚实的基础。



TDECQ的诞生和测试


从NRZ信号到PAM4信号的转变,绝不是简单的量变,而是一个质的变化。

因为PAM4信号格式的特点,带来了测试参数和测试方法的巨大变革,这里不再赘述PAM4的特点和测试挑战,而聚焦于一个问题:以前NRZ时代大家常用的模板余量测试,在PAM4时代还适用吗?不适用的话又如何替代?

这不是一个那么容易的问题,即使IEEE802.3协会也花了好几年的时间才逐渐找到了答案并还在不断完善之中。我们无需重复过往的摸索阶段,只需要跟上时代的变化,了解它的最新进展情况即可。

首先在所有目前的公开标准规范中,一个共识是模板余量已经不再适合PAM4的测试,这时候在我们面前的这座大山,绕无可绕,只能翻过去,需要用新的参数来表征发射机的性能

这个新的参数就是TDECQ  (Transmitter and Dispersion Eye Closure for PAM4) 



 1.伟大的诞生 

2                          2



为什么是TDECQ?

那是因为从物理上来说,衡量一个光发射机性能的最直接的参数就是前面提到的TDP,无论是NRZ的发射机还是PAM4的发射机。看来TDP还是最受标准协会组织青睐的参数啊。为了以示区别,对于PAM4而言,就改名叫TDECQ了,Q是四电平Quaternary的首字母。所以TDECQ的物理含义和TDP一模一样,就不再重复说明了。


TDECQ的计算方法呢?

显然和前面的TDEC也是类似的。下图7是IEEE802.3标准组织对于「TDECQ的测试框图」:


image.png


图7 IEEE802.3标准组织对于TDECQ的测试框图


看起来是不是很眼熟?和TDEC的几乎一样。只不过:

◉ 对于单模信号而言,还是需要在链路中增加光纤以满足损耗和色散的要求;

◉ 对于多模而言,就可以省去光纤了。



 2.TDECQ的测试 

    2                   2


先回顾一下TDECQ的两个测试前提:测试码型测试接收机


IEEE802.3bs对于PAM4信号的测试码型要求如表2:

image.png

表2 IEEE802.3bs对于PAM4信号的测试码型要求


其中:

  • PRBS13Q

    是由两段PRBS13码型进行格雷编码(0-00,1-01,2-11,3-10)后得到的长度为8191的四电平码型,可用来进行发射机的ER/OMA的测试;

  • PRBS31Q

    同样是由两段PRBS31码型进行格雷编码(0-00,1-01,2-11,3-10)后得到的长度为231-1 的四电平码型,注意该码型只用来进行PAM4系统灵敏度的测试;

  • SSPRQ (Short Stress Pattern Random Quaternary)

    完全是人为构造的新的码型,是从传统的PRBS31码型里面选取4段对于发射机压力比较大的码型进行拼接编码而成,长度是216-1,其好处是既可以对被测发射机施加足够的压力从而更加接近测试其在真实业务下的性能,又具有短码型的特征,从而使得采样示波器可以捕获整个码型进行均衡等信号处理了。SSPRQ是进行TDECQ测试的码型。

对于PAM4光信号的测试(包括TDECQ等参数),IEEE802.3bs规范要求测试仪表的参考接收机必须满足两个要求:

a. 理想的四阶贝塞尔-汤姆逊低通滤波频响;

b. 该低通滤波频响的3dB带宽是被测信号符号率的一半(13.28GHz for 26.56GBaud, 26.56GHz for 53.125GBaud)。

注意:对于多模26.56GBaud PAM4光信号测试,带宽变为11.2GHz。



测试码型和测试接收机确定了以后,我们继续来看「TDECQ的测试」。

TDECQ的测试里面,对于CDR的要求是环路带宽4MHz, slope 20dB/dec, 1st order, no peaking。


image.png

图8


和NRZ不同的是,由于PAM4信号本身的复杂性,需要在信号接收端使用均衡器来张开眼图,所以,TDECQ的测试仪表中需要均衡器(reference equalizer),标准已经规定了均衡器是5 tap/T spaced的FFE均衡器,但均衡器的具体系数则是软件算法根据输入的信号来确定。


在严格标准规范测试中,是需要根据TDECQ的测试框图搭建光链路进行的,但在实际的PAM4生产测试中搭建如此复杂的光链路显然是不切实际的,所以很多情况下人们省略了光纤链路而直接测试光发射机输出信号的TDECQ。



TDECQ的测试流程」和前面描述的TDEC是一样的:


 A  对于进入示波器的光信号,在图9的蓝色方框区域 (0.45UI和0.55UI,每个方框宽度0.04UI,为方便起见,只显示一半) 画直方图,该区域也是标准中指定的测试TDECQ的区域。假设该区域内的计算的误符号率SER不高于规范要求的目标误符号率4.8e-4

image.png

图9


 B  利用算法给该区域内的信号加入噪声来引入误码,一直加噪声到误码率达到4.8e-4为止,例如下图10的红色标识。

image.png

图10


 C  示波器内部根据前面输入信号的幅度和周期构造理想信号模型(虚拟理想发射机),并在该理想信号的相同区域用算法加入噪声,直至误码率达到4.8e-4为止,如下图11深蓝色虚线标识。


image.png

图11


 D  最后将深蓝色代表的加入噪声和之前红色代表的加入噪声进行比值,取dB单位,就得到了TDECQ,如下图。

image.png

图12


注意:如果被测信号(经过均衡后)的误符号率SER高于4.8e-4是不能继续进行TDECQ的计算的,这时候就要想办法先提高被测信号的质量。


从这个流程可以看出,TDECQ的计算过程是直截了当容易理解的,并且基本都靠算法实现,和TDP测试项目相比,大大减少了仪表的投入和测试时间的花费。

然而,正是由于TDECQ的测试主要依靠算法实现,标准组织也在不断的优化算法,优化TDECQ的测试结果,从而使得该项测试和真实PAM4系统环境尽量保持一致。所以,从IEEE802.3bs到IEEE802.3cd,都在算法设置层面进行了优化。

◆ 例如,上面蓝色方框的的区域不局限于0.45UI和0.55UI,只要满足两个方框间隔0.1UI,各自宽度0.04UI即可(IEEE802.3bs增加的);

◆ 又如,判断阈值电平可以允许在理想位置的基础上有1% OMA的波动区间(IEEE802.3cd增加的)。标准组织优化TDECQ的工作并没有停止,可能会在将来的其他规范中进行补充。所以说跟上时代标准的发展潮流是进行规范测试的必要条件啊。



最后上一张「TDECQ的测试方案框图」,如图13所示:


image.png

图13


Keysight可以提供业界最符合标准规范的TDECQ测试方案(N1092系列+N1077/8A系列及N1092A/B 内置CDR系列)

  • 蓝色的是均衡器之前的PAM4信号

  • 黄色的是均衡器之后的PAM4信号





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