100GbE+ 测试解决方案 汪进进 Frankie.Wang@LeCroy.com
Agenda 100GbE 概述 相干光调制技术及测量 CEI-25G-LR/CEI-28G-SR 接口及测量 2
网络带宽的需求特别网络视频的迅猛需求驱动着 100GbE 的快速发展 3
关于 100G 的新闻标题 4
关于 100G 的新闻标题 5
100GbE 驱动了更高带宽示波器的诞生 Time October 2010 Bandwidth Need in GHz Bandwidth Need Curve LabMaster945Zi-A 6
和 100GbE 相关的标准化组织 Relevant standards bodies Fosters development and deployment of interoperable products [ ] using optical networking technologies. Implementation agreements (IA) -> Multisource Agreements (MSAs) United Nations agency for information and communications technology issues and the global focal point [ ] in developing networks and services. 802.3ba: Standard for Ethernet applications. 802.3ba standardize 40 Gbpsand 100 Gbps transfer rate Standards 7
100GbE 的标准 8
100GbE 研发对示波器测量的需求 9
Agenda 100GbE 概述 基于相干检测的 DP-QPSK 调制技术及测量 CEI-25G-LR/CEI-28G-SR 接口及测量 10
长距传输为什么要采用基于相干检测的 DP-QPSK 调制技术 现有 100G 推行的主体路线是平稳升级, 即最大限度的利用已有的 10G 线路, 以及波分复用架构, 因此需要提高传输的效率 现有的 100G 核心思想是要利用现有 10G 的已有硬件来升级, 显然如何从收发端上做手脚, 提高光谱效率是关键 采用 DP-QPSK 调制可以提高四倍的光谱效率 相位调制相比于幅度调制, 很自然的免疫了色散 非线性 PMD 这些信号损伤的影响 为什么要相干接收呢? 一方面因为由于要对多进制, 且偏振服用了的信号解调, 确实不是容易的事情, 不能用以往的探测器了 另一方面我们提到过,100G 网的平稳升级需要有 10 倍改善的 OSNR 灵敏度, 我们知道相干检测比起非相干一个显著的优点就是高灵敏度, 对 OSNR 的要求大大放宽 现有的 100G 说白了就是建立在低硬件基础上的高档货, 使用相干接收是必要的, 也是不得已而为之的, 毕竟相干接收价格是非常昂贵的 11
光纤中光信号的双极性 (Dual Polarization ) 双极性 单模光纤支持双极性模式 对于 100G 光传输, 两种模式都用于承载信息. 垂直极性 水平极性 12
QPSK(QuadraturePhase ShiftKeying) Keying)-- 四相相移键控调制 表示了信号相位和两比特数据的关系 独立调制的 I 信号和 Q 信号组合在一起构成了 QPSK 调制传输的信息. 13
DP-QPSK 发送模块原理框图 DP-QPSK - Block diagram of a DP-QPSK transmitter module I 25G Base band data stream #1 IQ 25 Gsymbols/s (50GBit/s) Q 25G Base band data stream #1 I 25G Base band data stream #1 100GBit/s Q 25G Base band data stream #1 IQ 25 GSymbols/s (50GBit/s) BS:BeamSplitterBC:BeamCombinerPolRot:PolarizationRotator 14
DP-QPSK 接收模块原理框图 Interface I/O & Data Acquisition 15
100GbE DP-QPSK 收发器模块原理框图 16
如何对 DP-QPSK 的光接收端信号进行测量? Integrated optics Integrated electronics (ASIC) 17
如何对 DP-QPSK 的光接收端信号进行测量? 18
100GbE+ 光传输信号的主要测量项目 星座图 EVM 眼图 误码率 幅度误差 相位误差 频率误差 IQ 偏置 19
100GbE+ 光传输信号接收端测试对示波器指标的要求 1, 需要多高带宽? 对于 100G DP-QPSK 调制, 由于 PMD 和 CD 补偿的算法 开销 不一样, 实际上每路信号 28Gb/s-32Gb/s 如果能覆盖 1.5 次谐波, 带宽至少要 24GHz 以上 建议带宽能达到 30GHz 以上 对于 400G 的 16QAM 调制, 建议带宽至少要达到 42GHz 2, 需要多高的采样率? 建议是被测试信号速率的两倍以上. 3, 需要多大的 ENOB? ENOB 建议在 4-5 之间, 对应 OSNR 的损失可以控制在 1dB 以内 4, 通道之间要有非常好的匹配度 20
20GHz 和 30GHz 示波器对 28Gb/s QPSK 信号的测量结果对比 20 GHz (1.4 Harmonics) 30 GHz (2.1 harmonics) 21
20GHz 和 30GHz 示波器对 33Gb/s QPSK 信号的测量结果对比 20 GHz (1.1 Harmonics) 30 GHz (1.8 Harmonics) 22
45 GHz 带宽比 30/32/33GHz 提供了更多的功率谱密度 28Gb/s 信号的功率谱密度图显示了功率和频率之间的关系曲线 42 GHz 频率点表示能覆盖 3 次谐波能量, 这只能用 42GHz 以上带宽才能捕获, 用 30GHz 示波器则无能为力 图中深蓝色区域表示用 45GHz 示波器能捕获到但是用 30GHz 示波器不能捕获到的频率成分 23
示波器通道间延迟的误差精度和幅制定测量的一致性的重要性 Logical 1 I Logical 0 Sampling point 对于 25Gb/s 的 NRZ 信号, 一个 UII 只有 40ps, 因此 10% 的抖动容限只有 4ps 完美的通道匹配包括幅值测量的一致性和时间上的通道延迟误差是影响捕获系统质量的关键因素 (01) (11) Logical 1 Q Sampling point Logical 0 (00) (10) 24
为什么说 LabMaster9 9 Zi-A 是最适合 100GbE 的测试需要? 最高带宽 高达 45 GHz 最多通道 多达 20 个通道 最高采样率 高达 120 GS/s 灵活的模块化架构 通道可扩展 带宽可升级 保护投资 ChannelSync TM 专利技术保证了多通道模块之间的精确同步和信号保真度 10 GHz 参考时钟控制多个模块 比通常的 10MHz 参考时钟快 1000 倍 高时基精度 多通道之间只有 275fs 抖动 更有竞争力的价格 25
LabMaster 通道同步架构精确同步, 极低的相位误差 多台示波器连接起来进行同步的问题在于 : 1,10MHz 的低频时钟更容易受到幅度噪声的影响, 从而带来更大的抖动 2, 单台示波器的时基抖动会因为多台示波器连接在一起而产生累积的误差, 从而严重影响测试精度 3,10M 时钟经过 1000 倍倍频得到的 10GHz 时钟,2 台示波器连接在一起, 意味着 2 次这样的倍频过程, 这过程中的误差累积很难令人有信心可以通过算法校准 4, 多台示波器连接在一起的触发电路的误差也会累积在一起很难消除 5, 对电缆长度和通道延迟差异进行校准非常复杂, 即便是软件自动控制, 系统的搭建也很繁琐 26 26
力科的 XWEB 工具使 CD,PMD,FEC 算法的调试过程更高效 一路光信号变成四路电信号, 经过 ADC 之后需要通过算法进行色散 (Chromatic Dispersion) 补偿, 偏振模色散 ()polarization mode dispersion) 补偿和和前向纠错 (Forward Error Correction) 27
力科的 XDEV 工具使 Matlab 算法和示波器之间无锋链接 Xpolarization Y polarization Ch 1 Ch 2 Ch 3 Ch 4 I Q I Q ADC XI ADC XQ ADC YI ADC YQ DSP XDEV XDEV 是一种非常独特的数据分析和用户自定义工具 28
XDEV 在线显示 Matlab 源代码 高采样率 高保真的采集到射频信号 实时观察基带信号数据 Matlab 编辑器集成在示波器的应用软件中, 可以直接调用所有的 Matlab 应用程序 实时星座图 29
利用 Matlab 生成星座图 二进制相移键控 (BPSK) 调制正交相移键控 (QPSK) 调制 16QAM( 正交振幅调制 ) 调制 64QAM 调制 30
Agenda 100GbE 概述 相干光调制技术及测量 CEI-25G-LR/CEI-28G-SR 接口及测量 31
CEI 25-28G 28G - The OIF Project CEI-25 规范定义了芯片间 28 Gbaud/s 信号速率的应用以及背板上 25Gbaud Gbaud/s 信号速率的应用 此类信号速率将使得在更窄的接口上传输 100Gb/s 信号, 比如 100G 以太网 此类接口将允许更小的接口尺寸, 更低的器件引脚数量, 连接器以及光模块数量, 更低的功率浪费, 以及无需时钟的接口 32
CEI 25-28G 通通用电气接口 从 XLAUI-CAUI 到 CEI 25-28G28G 左图中显示了 CEI-28G-SR 在未来的 100G 以太网中所担当的角色. 在第二代 100GBASE-LR4 模块中, 基于 CEI-28G 的接口, 将被用于连接分散的 SERDES 至模块, 在其前一级有一个 4:4PMA ( 物理媒体附加 ) 子层以提供重定时功能. 第三代 CEI-28G 接口已经被集成到了主控芯片中, 在其前一级直接将模块与 4:4PMA 子层向连以提供重定时功能. FFE DTE CTLE Receiver Transmitter 33
OIF 系统参考模型 由于物理层器件常常位于同一个卡上因此对于串行帧接口 (SFI) 的电气要求相对比较宽松, 只需要支持相对较短的芯片到芯片以及芯片到模块之间的连接 另外, 链路层器件不像物理层器件一样, 通常不位于同一个板卡上, 因此系统帧接口 (SPI) 必须要穿越一个背板 CEI 标准定义了所有的包括 短连接 以及 长连接 的电气接口, 支持串行帧接口 (SFI), 不仅支持芯片之间以及芯片与模块之间的串行帧 (SFI) 接口, 也支持系统帧接口中的背板应用 34
限制及平衡 通道考虑 芯片与芯片之间以及芯片与模块接口之间的短连接必须满足通道要求的最大 12inch 和最多一个连接器的插入损耗要求 长连接接口必须满足通道要求的最大 27nch 和最多二个连接器的插入损耗要求以支持物理系统的配置 通道的规定要求电路板设计者能够完美的设计线路走线以减少信号完整性问题. 35
通道因素考虑 下一代系统将会面向更高的容量 基础的底层结构将需要实现超越以支持更高的带宽 提供更好的性价比, 与此同时还需要降低系统占用空间 功率消耗以及成本损耗 上图呈现了当系统的容量从 400Gb/s 变化到 4Tb/s 时, 转换卡上将需要的电信号线的对数以及对串行线路速率的影响 36
CEI-28G-SR 通道一致性 参考模型 37
CEI-28G-SR 通道一致性 插入损耗 ChannelInsertionLossFrequencyRange 通道插入损耗, 包括 PCB 走线和连接器, 需要满足规范中的指标要求. 38
CEI-28G-SR 通道一致性 集集中串扰噪声 通道的集中串扰噪声应该使用上述参数计算得到. 39
Serdes 考虑因素 同样的,Serdes 要求满足规范中的下列要求 : 25Gb/s 时每条 serdes 链路上的功率不能超过 10Gb/s 时的 1.5 倍 满足这一功耗要求将会增加信号处理的复杂性, 也是做方案时需要考虑的一部分 电气规范能够通过增加信号发送出来时的幅度来补偿插入损耗 然而 Serdes 发送出来时的幅度不可以达到很高的幅度, 因为它是由 1.2 伏电源供给的 CMOS 电路驱动的 使用更高的电压将会增加功耗并可能会要求额外的屏蔽层而导致成本的增加 40
NRZ 信号均衡处理 FFE DTE CTLE Receiver Transmitter 在链路的发送端和接收端均使用了额外的 NRZ 信号的均衡电路以矫正由于通道引起的信号不平衡问题 前向均衡器 (FFE) 为典型的发送端均衡器, 判决反馈均衡器 DFE 为典型的接收端均衡器 需要注意的是 FFE 均衡实际上是产生了一个多级电平的信号组合编码系统, 基于此系统发送端信号的幅度不仅与当前信号位的幅度值, 而且还与相邻位信号的幅度值有关 41
CEI-28G-SR Signal Definitions 42
CEI-28G-SR Electrical Characteristics -Driver Transmitter Electrical Output Specification Transmitter Output Jitter Specification 43
Electrical Characteristics -Driver Eye Diagrams 眼图, 是示波器所采集到的波形的组合累加显示, 被广泛用于物理层的测试 抖动值是基于统计方法计算得到的 44
CEI-28G-SR Electrical Characteristics -Driver Bit Time Histogram 0 Histogram 1 直方图是抖动总体分布 ( 即信号穿越所定义的信号电平位置的时间 ) 概率密度函数 PDF 的统计结果并从统计意义上描述信号发生切换时的位置 胶片中的模型创建了 PDF 的合成模式 PDF 的均值被放置于逻辑状态的理想切换时刻 为了简化, 时间刻度以 UI 单位给出,0.5UI 位于眼图的正中心位置 两个 PDF 的均值分别被用于定义理想的 0 和 1 时刻 45
CEI-28G-SR Electrical Characteristics -Driver 1 Bathtub shape PDF for: DJ=0.0; RJ, s=0.05 Probability 0.5 CDF for: DJ=0.0; RJ, s=0.05 0-0.5 0 0.5 1 1.5 Sample Time st, UI 两个函数的和提供了因抖动而导致的误码率 BER 值 TBER ( st, W, σ ) = LBER( st, W, σ ) + RBER( st, W, σ ) BER 是通过模型产生的 CDF( 概率密度函数 ) 测量得到的 两个 CDF 之和产生了总的误码概率 这样的表述表明误码概率为采样点位置和密度函数宽度的一个函数 这就是通常我们所说的 BER 误码率浴盆曲线 46
抖动树 Tj (Total Jitter, 总体抖动 ) Rj Random Jitter, 随机抖动 Dj (Deterministic Jitter, 固有抖动 ) (Bounded Uncorrelated Jitter, 固有不相关抖动 ) BUj DDj (Data Dependent Jitter, 数据相关性抖动 ) Pj Periodic Jitter, 周期抖动 OBUj Other Buj, 其它固有不相关抖动 DCD Duty Cycle Distortion 占空比失真抖动 ISI InterSymbolInterference 码间干扰抖动 47
Electrical Characteristics Transmitter Equalization Hi Frequency components DC component Hi Frequency compensation Simplest equalization applied at transmitter using FFE. 48
Pre vs. De Emphasis Pre-Emphasis 提升信号的高频部分, 保持低频部分不变 De-Emphasis 衰减信号的低频部分, 保持高频部分不变 49
TX 的预加重 / 去加重仿真 Tx + Pre/De Emphasis- + - path + - Add / Remove Emphasis Pre or De Emphasis Emulation 50
电气特征 接收端 Seminars-2009 对于非常快的高速信号, 发送端往往具有非常好的信号完整性 在很远的通道终端, 眼图闭合. Tx + + path + - - - 传输线可以等效为一个低通滤波器. 经过传输线后, 高频成分比低频成分衰减得更大. 衰减常数 (a) 描述了每一个频率处的衰减数值. 举例 x 处的电压衰减情况有如下关系 : V x = V s e YZ x Where: Z R + JϖL Y G + JϖC 51
电气特征 接收端均衡 Tx + - + - path + - + Rcv Equalization - Input Channel Output Equalized 52
电气特征 接收端均衡 TX 和 RX 均衡打开了接收端处本已闭合的眼图 均衡允许用户测量 : 不同的均衡条件下抖动情况 ISI 是否能够完全的被均衡消除掉 How 多大程度的均衡能够消除掉多大程度的 ISI 其它的一些反面影响 Dj 和 Rj 没有被整体减小 均衡会增加噪声, 因此增加了 Rj 影响时钟恢复 非常重要 Tx + Pre/De Emphasis- + - path + - + - path + - + - path + - + Rcv Equalization - 53
电气特征 接收端均衡 Channel response Equalizer response Equalized System Response 0 db -5 db Gain -10 db -15 db -20 db 0 5 GHz 10 GHz 15 GHz Frequency Input Channel Equalizer Output 54
什么是均衡? Transmitter Receiver Transmit FIR Transmit Preemphasis CHANNEL Receive Equalizer + Decision Feedback Equalizer Transmitter Chip Receiver Chip Digital Analog Digital TX 端使用预加重技术来提前补偿信道的响应 ( 损耗 色散与反射 ) RX 端线性均衡器 (FFE) 来去除信道的响应 Decision feedback equalization (DFE) 基于前面的数据来反馈电平变化 55
电气特征 - 串扰 Serial data can be a single differential signal Tx + + path + + Rcv - - - - but generally there are multiple lanes of serial data running side by side; these can CROSSTALK with each other. Tx + Tx + - - Tx + Tx + - - + - + + - - + + + + - -Rcv- - Rcv + - Rcv Rcv 在很多情况下有很多条串行链路同时工作. 56
电气特征总结 电气特征包括 通道特性 发送端特性 接收端特性 可用于电气特征测试的时域分析工具 实时示波器 采样示波器 信号完整性网络分析仪 57
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