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弼惶宫
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1 应用笔记 : HFAN Rev. 1; 04/08 用于 4Gbps 850nm FC 接收机的极限测试源 AVAILABLE

2 用于 4Gbps 850nm FC 接收机的极限测试源 1 概述任何光纤链路为了实现无误码传输 ( 具有裕量 ), 都要求链路的每个元器件达到必要的性能指标因为链路元器件来自许多不同的供应商, 确保它们在最差工作条件下的互操作性非常重要随着链路通信速率的不断增加, 而对吉比特通信设备成本的要求却不断降低, 上述条件将尤为重要光纤通道标准 ( 除千兆以太网外 ) 定义了相应的规范和测试方法, 以确保不同供应商的元器件具有互操作性, 并且在最差工作条件下链路具有一定的指标裕量链路上的每个器件 ( 串行 / 解串器发送器光纤接收器 PWB 等 ) 都分配了一定的抖动指标一个重要但经常被忽视的接收器测试参数是接收灵敏度的极限测试用来评估接收机在眼图闭合度最差 ( 即符号间干扰或 ISI 最差 ) 时的性能指标作者观察到一些接收器的案例, 其中有些在非极限 ( 典型 ) 条件下, 灵敏度指标能够满足要求, 但在进行极限测试时, 接收器的性能就变得无法接受与仅仅测试接收器的小信号带宽相比, 极限测试 ( 时域 BER 测试 ) 可以得到更多信息多年以来, 针对 ISI 规范和必要的测试功率, 标准委员会制定了扩展链路模型这些数值主要是数据速率信号源边沿速率光纤特性和链路波长等参数的函数 4Gbps FC 的最大 ISI 是针对 850nm 62μm 光纤链路制定的 (2.14dB) 本应用笔记主要介绍如何利用 MAX3748 评估板 T 形偏置贝塞尔 - 汤姆逊 (BT) 滤波器和 4Gbps 850nm 的 VCSEL 生成极限测试源 2 极限眼图的要求极限眼图包括抖动和 ISI 两部分表 1 总结了眼图闭合度的要求, 该指标源于光纤通道标准 [1] 表 1 给出的确定性抖动 (DJ) 取决于占空比失真或 DCD DJ 在眼图垂直闭合度的测试中引入了不对称性, 大大降低了系统带宽, 因此,DJ 是链路中必须测量的参数链路产生 DCD 的一个可能原因是激光器的导通延时, 它会引入一个很短的 ON 持续时间和一个较长的 OFF 持续时间本应用笔记主要介绍在最差眼图闭合度条件下, 在 62μm 光纤上如何生成 4.25Gbps 的极限眼图如果被测系统在此条件下能够保持良好的性能指标, 那么在 50μm 光纤也可以保证正常工作图 1 是一个理想的极限眼图, 包括 ISI 和由 DCD 产生的 0.085UI (20psec) 的 DJ 应用笔记 HFAN (Rev. 1; 04/08) Page 2 of 9

表 1. 光纤通道多模极限眼图的抖动要求概要 MM Fiber Type Vertical Eye Closure (db) / DJ (psec) for Stressed Eye 100-M5 (1.06Gbps) 200-M5 (2.125Gbps) 400-M5 (4.25Gbps) 50 micron 0.96 / 80 1.26 / 40 1.67 / 20 62.

3 表 1. 光纤通道多模极限眼图的抖动要求概要 MM Fiber Type Vertical Eye Closure (db) / DJ (psec) for Stressed Eye 100-M5 (1.06Gbps) 200-M5 (2.125Gbps) 400-M5 (4.25Gbps) 50 micron 0.96 / / / micron 2.18 / / / 20 ~0.085 UI DCD 图 1. 包含 ISI 和 DCD DJ 的理想极限眼图 ( 水平轴以单位间隔 UI 给出 ) 仿真由于存在 DCD DJ, 导致逻辑高电平 (A OP ) 的 ISI ( 闭合度 ) 明显大于逻辑低电平的数值应用笔记 HFAN (Rev. 1; 04/08) Page 3 of 9

4 规范 [1] 中对眼图闭合度的定义为 : 眼图在垂直方向闭合度的劣化, 以 db 为单位 = -10 x log (A 0 /A N ) ~ 2.1dB (1) 式中 A 0 和 A N 的定义如图 1 所示利用实际元器件获得上述 4.2Gbps 的眼图很困难生成 DCD 需要非线性器件 ( 例如 : 后置放大器失调 ) 此外, 生成不含任何抖动模板的纯粹的 DCD 也不可行上述眼图的关键特征是其垂直方向的开度相对于零平均值不对称包含 DCD 的有效眼图闭合度为 : 图 1 示例中的闭合度考察的是逻辑高电平主要生成带有 DJ ( 可能是 DJ 模板 ) 的眼图, 但包括 2.6dB 的有效垂直闭合, 该闭合度是相对于均值的逻辑 1 或逻辑 0 电平图 2 所示为所合成的仿真眼图,DCD 较低甚至没有, 但含有 0.09UI 的模板抖动存在 DCD 时, 为了获得同样的最差条件下的眼图闭合度 (2.6dB), 必须减缓波形的上升和下降时间, 以此增加额外的眼图闭合度有效垂直闭合度 ( 图 2) = -10 x log(2 x 0.55/2) = 2.6dB (3) 有效垂直闭合度 [db] = -10 x log(2 x A 0P /A N ) = 2.6dB (2) 误码率主要取决于相对均值或门限的闭合度图 2. 具有 2.6dB ISI 的近似极限眼图仿真, 本例存在很低甚至没有 DCD DJ 逻辑高电平的 ISI ( 闭合度 ) 略高于逻辑低电平应用笔记 HFAN (Rev. 1; 04/08) Page 4 of 9

5 3 生成极限眼图图 3 是生成和测试极限眼图性能的装置, 基于光纤通道标准的一个类似电路框图生成极限眼图主要包括以下电路模块 : 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 激光器首先, 低通滤波器用来产生 DJ 模板, 通过降低数据的边缘速率, 使抖动模板在限幅放大器的过零处生成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只加入一个电容也能产生所要求的 DJ 下例中, 在 4.2Gbps 速率上已经有了足够的残余 DJ, 测试系统中 ( 模板发生器后置放大器和激光器 ) 无需增加其它滤波器然后限幅放大器用来消除第一个滤波器产生的 ISI 并保持 DJ 如果不需要第一个滤波器, 并且假定模板发生器的输出不会变化, 也可以不用限幅放大器 MAX3748 限幅放大器可以采用单端输入, 未使用的输入端接 50 欧姆终端匹配限幅放大器之后是贝塞尔 - 汤姆逊线性相位滤波器, 用来增加所要求的 ISI ISI 数以及后置放大器的速率 T 形偏置和激光器本身决定了滤波器的带宽由于这些滤波器的参数固定, 因此得到所要求的 ISI 可能需要建立几个不同的模型通过选择具有稍高带宽的滤波器, 并联一个 0.5pF 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影响, 产生过冲或失真 ) PATTERN GENERATOR BIAS SUPPLY VCSEL FILTER LIMITING AMP 4TH ORDER BT FILTER BIAS TEE STRESSED EYE GENERATOR CLOCK ERROR DETECTOR RX UNDER TEST OPTICAL ATTENUATOR Optical Fiber 图 3. 进行极限眼图测试的配置框图应用笔记 HFAN (Rev. 1; 04/08) Page 5 of 9

外部信号源通过宽带 T 形偏置注入偏置电流这个外部信号源可以是电流源或带有串联电阻的电压源 VCSEL 将电气极限眼图转换为光眼图建议使用高速的 VCSEL, 否则会对电气极限眼图造成影响, 并且需要对波形进行额外的调整 VCSEL 引线要尽可能短, 将其焊接在 PWB 末端的连接器上图 4 所示为用来产生极限眼图的主要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

6 外部信号源通过宽带 T 形偏置注入偏置电流这个外部信号源可以是电流源或带有串联电阻的电压源 VCSEL 将电气极限眼图转换为光眼图建议使用高速的 VCSEL, 否则会对电气极限眼图造成影响, 并且需要对波形进行额外的调整 VCSEL 引线要尽可能短, 将其焊接在 PWB 末端的连接器上图 4 所示为用来产生极限眼图的主要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 VCSEL 该系统有足够的残余 DJ, 因此不需要在后置放大器的输入端附加滤波器或电容表 2 是产生极限眼图的元器件列表 BT filter Bias Tee Data Input 图 4. 极限眼图测试的元器件图 MAX3748 post amp Bias Port VCSEL 表 2. 极限眼图生成器中采用的元器件 Item First DJ Filter Description None required for this demo, however a small cap may be used (with 6dB pad ) to generate additional DJ if required (eg 0.5pf) Limiting Amp MAX3748EVKIT Maxim evaluation kit for the MAX3748 post amp. BT Filter Bias Tee Picosecond Pulse labs 2.3GHz BT filter Mini Circuits ZFBT-4R2 series 4Gbps or faster VCSEL Picolight PL-SLC-00-SG0-C0 Advanced Optical Components : HFE VCSEL Connector End Launch SMA connector, Johnson 应用笔记 HFAN (Rev. 1; 04/08) Page 6 of 9

7 图 5 是采用一个高速光电转换器 (O/E) 测量的极限眼图 O/E 和示波器带宽估算值为 8GHz 推荐在光链路极限测试中采用 3360 光纤通道比特测试模板 CRPAT 图 5 中的极限眼图是扫描所有测试序列的比特后得到的最大眼图闭合度出现在逻辑高电平处, 大约为 2.5dB, 非常接近目标闭合度眼图闭合度并不需要非常精确在一个线性系统中, 眼图开口处的误码可以简单地通过调整极限灵敏度参数补偿但是, 接收极限灵敏度由于 ISI 的增加会变成非线性这是因为接收器基线的漂移或发送器的相对噪声强度 (RIN) 等因素引起的激光器的消光比设置比较低, 大约为 6dB 通过连接断开跳线 JU8,MAX3748 的驱动电平可以设定为两个等级 ( 断开该跳线为 0.2V P-P, 连接跳线为 0.4V P-P ) 调整激光器偏置电流 ( 和消光比 ) 可以获得最佳眼图眼图中, 特别是在逻辑高电平处, 能够观察到噪声这可能是扫描 3360 比特后,RIN 在示波器显示屏上的累积 RIN 噪声源与发送器 ( 而不是接收器 ) 相关但是, 当眼图闭合度增加时, 发送器的 RIN 会对接收器极限灵敏度造成非线性影响为了限制由发射器 RIN 的非线性影响, 通常将最差工作条件下的眼图闭合度 (TX + RX + 光纤 ) 维持在 3dB 或更低 A 0P A N ~0.09 UI Dj 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 应用笔记 HFAN (Rev. 1; 04/08) Page 7 of 9

8 4 极限测试设置好极限眼图后, 可以采用图 3 所示配置进行实际的极限灵敏度测量本例中的待测接收器 (RX) 带有一个 ROSA, 由 Maxim 的 TIA 组成, 随后是 Maxim 的高速后置放大器, 极限测试将会评估 ROSA 和后置放大器共同工作时的情况图 6 是在没有后置放大器的情况下所测得的 ROSA 输出极限眼图 ( 差分条件下测得 ) 眼图闭合度的估算值由极限测试源测得的 2.5dB 上升到 3dB 由于 TIA 带宽限制, 与大于 8GHz 的接收器相比, 预计眼图闭合度会有所增加同极限测试源测得的 DJ 相比, 观察到的 DJ 没有明显增加极限条件下的 850nm 激光器 ; 最右边的曲线是按照图 3 的设置, 使用极限眼图生成器所测得的水平轴为光调制幅度 (OMA), 单位为 dbm 由的误码率可以推断出极限功率劣化在 3.5 和 4 个 db 之间随着光功率的增加, 这两条曲线在水平方向的间隔逐渐增大可能是由于前面讨论的发射机的 RIN 特性造成的, 也可能是由于待测接收器的一些实际性能造成的预估的极限灵敏度和标准定义的灵敏度之间留有足够的余量但是眼图闭合度 (3dB) 用来在某个电平下限制 RIN 的非线性效应和模板分配噪声同 62μm 标准相比, 所留余量为 6dB 为满足 FC 的抖动要求, 推荐最小 5dB 余量本例中的 RX 测试满足以上所有要求图 7 所示为 4.2Gbps 时, 采用 CRPAT 测试模板得到的两条 BER 曲线最左边曲线是采用高速非 A 0P A 0P A N 图 6. ROSA 差分极限输出眼图应用笔记 HFAN (Rev. 1; 04/08) Page 8 of 9

9 BER curves for RX at 4.2 Gbps 1.00E E E-05 BER 1.00E E E E-09 B-2 Stressed B-2 Intrinsic Spec Intrinsic Spec Stressed 1.00E E E OMA in dbm 图 7. 被测 RX 在典型和极限情况下的误码率曲线, 图中还给出了 62μm 光纤标准规范参考文献 : [1] Fibre Channel Physical Interfaces FC PI-2 rev 4.1; American National Standard for Information Technology, March 24, 2004, pp [2] David C Cunningham, William G Lane, Gigabit Ethernet Networking, Macmillan Technical Publishing, Indianapolis, 1999, pp 应用笔记 HFAN (Rev. 1; 04/08) Page 9 of 9

Electrical and Optical Clock Data Recovery Solutions - Data Sheet

Electrical and Optical Clock Data Recovery Solutions - Data Sheet 32 GBd N1076A 32 GBd N1077A / 64 GBd N1076B 64 GBd N1078A / 64 GBd NRZ PAM4 O/E < 100 fs RMS JSA PLL ...3...4...4...5 /...6...8...11 N1076A...12 N1076B DCA-M...13 N1077A...15 N1078A DCA-M...17...21...