神秘的TDECQ

2020-11-20 14:41:44 深圳市瑞普高電子有限公司 19

采用了 100G 標準的數據中心仍在向 200G / 400G 升級,升級的原因與流量的持續增長有關,未來的數據中心和網絡基礎設施將支持紛繁復雜的大流量應用諸如超高清視頻流,新視頻游戲和虛擬現實內容,人工智能,無人駕駛和移動5G網絡等功能。大數據傳輸從100G跨越到200G、400G時代時, 底層信號也從NRZ(0,1)兩電平過渡, 進入PAM4(0, 1, 2, 3)四電平信號。近年來江湖中常常會聽到TDECQ這個拗口的詞, 顯然它與PAM4有著密不可分的關系。但是冗長的名字,復雜的數學模型, 總讓它和大家有著神秘的距離感, 因此常常有小伙伴問: 傳說中的這個TDECQ,它到底是個啥啊?

TDECQ

全稱是Transmitter and Dispersion Eye Closure for PAM4 (發射機色散眼圖閉合代價),它是衡量PAM4光信號質量的非常重要的一個參數。

名字中有眼圖,看起來好像很親切很熟悉,可是TDECQ還真跟眼圖沒啥關系。

由于IEEE802.3bs/cd規范里面對于PAM4光接口的指標取消了模板余量(Mask margin),即我們熟悉的眼圖測試,取而代之TDECQ變成了無論生產還是研發都必測的一個參數。

所以究竟什么是TDECQ?

這還要從它的“前世”說起,但在開篇之前,你還是要有一個初步的概念,文中提到的TDP, TDEC和TDECQ既然是彼此的前世今生,其實實質上還是一個東西即它們所代表的物理意義是一樣的,即兩種狀態下靈敏度的差值:理想參考發射機的靈敏度與被測發射機及光鏈路情況下的靈敏度差值。



TDECQ的“前世”——TDP和TDEC


為了更好的理解TDECQ的物理含義,我們要先回顧一下TDPTDEC


 1.TDP 

(Transmitter and Dispersion Penalty)


TDP 的官方稱呼和解釋是:

TDP(Transmitter and Dispersion Penalty發射機色散代價)最早出現于2002年發布的IEEE802.3ae中針對10GBase-SR/LR/ER的發射機指標規范中,后續的IEEE802.3的各章節規范包括100GBase-LR4/ER4等都延用了這一參數。


那為什么標準規范中一直有TDP這個參數,然而大家卻很少測試它甚至都很少聽說過它呢?

簡單回答這個問題的話,你可以理解為雖然TDP從物理含義上是最能直觀反映光發射機性能如何的一個參數,但從測試角度來看進行TDP測試的難度很大。


舉個登山的例子來講可能你會更清楚一點:

在我們前行的道路上, 會不斷遇到高山擋住去路,要想繼續往前走,只能選擇要么繞著走,要不就大膽的翻過去。如果能繞道走,當然最好是繞道走,雖然登頂后站在巔峰可以一覽眾山小,這個道理咱們都明白,但是難度也大啊,這正如TDP測試,在NRZ時代,雖然大家都明白這個測試參數更能反映真實的光發射機性能,但是實現此測試的難度卻非常大。


可是搭建測試的難度有多大呢,可以從規范要求的TDP搭建框圖了解一下:


下圖1是IEEE802.3規范中對于「TDP的搭建框圖」:


image.png

圖1 IEEE802.3規范中對于TDP的測試框圖



TDP的測試流程」如下:

 A  對于一個理想的參考發射機(圖1 中的Reference Transmitter),利用光衰減器(Optical Attenuator)、參考接收機(Reference Receiver)、誤碼儀(BERT)等進行誤碼率在1e-12下的靈敏度的測試,記錄這時的靈敏度即最小功率,P0 ;


 B  用被測光發射機(DUT)替代前面的參考發射機,并且在鏈路中加入光纖、偏振控制器、光分路器、光反射計等,目的是使得光鏈路的色散、插入損耗和回波損耗滿足以下表格要求:

image.png

表1


 C  在此光鏈路的基礎上,用和步驟A相同的參考接收機和誤碼儀再次進行誤碼率在1e-12 下的靈敏度的測試,記錄這時的靈敏度PDUT 


 D  最后計算TDP = PDUT P0


從上面流程可以看出,TDP就是兩種情況下的靈敏度的差值:

一個是理想參考發射機的靈敏度,

另一個是被測發射機+光鏈路情況下的靈敏度。

所以從物理含義上說,TDP非常清晰直觀。

但另一方面,從上面的流程也可以看出測試上有許多“坑”,也就是為啥這個指標這么好大家卻都不用它的原因是:

  • 如何找到理想參考發射機?

    IEEE802.3規范的確對理想參考發射機的基本參數進行了規定,但現實當中即使用儀表級別的參考發射機都很難保證同時滿足所有要求。

  • 如何構建滿足要求的光鏈路?

    該光鏈路看起來就比較復雜,完全滿足色散、損耗、回波損耗就不是一件容易的事情。

  • 需要測試1e-12下的靈敏度,就只能用誤碼儀了,但這會增加儀表成本,需要的測試時間也不短。

    例如,要達到95%的置信度的話,對于10Gbps的誤碼率的測試,需要十幾分鐘才能測試到1e-12的水平。

總之,TDP看起來很美好,但測試起來就頭大,所以有條件有勇氣攀登TDP這座大山的人就少之又少了,既然翻不過去,就要想辦法看看能否繞過去,在實際測試中,大家更喜歡用另一個參數——「模板余量」(mask margin)來作為評估光發射機的性能指標之一。模板余量雖然測試簡單,但標準協議并沒有規定具體余量的要求,只能是業內自行協商了。


但也正是由于TDP完美又直觀的物理含義,人們依舊沒有放棄對它的追求,依然在尋找將其實用化的機會。

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 2.TDEC 

(Transmitter and Dispersion Eye Closure)


隨著100G-SR4的出現,這個機會出現在了2015年發布的 IEEE802.3bm 的標準規范中,只不過這一次,人們為了進行區別,換了一個名字,叫

TDEC (Transmitter and Dispersion Eye Closure)。

這時候,標準的要求發生了一些變化,帶來了新的契機,具體是對誤碼率的要求有了變化,看樣子是要迎來TDEC、TDP的春天了

在100G-SR4中,光鏈路不再是要求無誤碼傳輸,而是可以容忍5e-5的誤碼率,當然最終是通過FEC(前向糾錯碼)技術來保證整個系統的光傳輸性能。這里不考慮FEC的問題,所以可以認為5e-5誤碼率是IEEE802.3標準對于100G-SR4的要求。


為什么說光鏈路誤碼率從1e-12變成了5e-5后就迎來了TDP(這里應該叫TDEC)的春天了呢?

那是因為要測試到1e-12水平的誤碼率,至少要比較1e-13數量級的比特數目,示波器無法短時間采集到這么多數據因此無能為力,只能依靠誤碼儀;而對于5e-5的誤碼率,示波器只需要采集到1e6數量級(1M級別)的點數就可以了,這是在短時間內很容易做到的,所以就不需要誤碼儀了,一臺采樣示波器就可以進行測試了。


當然,還需要解決的問題是如何獲取理想的參考發射機?

這一次人們極大的發揮了自己的聰明才智,創造了一系列算法,用數學的方式來構建理想的參考發射機模型,所有的測試過程都依靠算法,這樣就極大簡化了測試環境的搭建。


TDEC的測試框圖」如下圖2所示:


image.png

圖2 TDEC的測試框圖


和之前的TDP框圖比較來看,已經簡化了許多,圖中的Optical spliiter+Variable reflector也還是為了達到一定的回波損耗要求;

圖中沒有顯示多模光纖,那是不是不考慮色散的影響了呢?其實不然。人們已經把多模光纖的模間色散的影響折算成了帶寬的代價,

這里要注意的是TDEC是只針對SR4標準,所以對于100G-SR4的TDEC的測試,一般測試25G信號測試濾波器帶寬不是傳統的19.3GHz,而是變成了12.6GHz。


下面具體說明一下「TDEC是如何得到的」?

 A  對于于進入示波器的光信號,在圖3的藍色方框區域(0.4UI和0.6UI,每個方框寬度0.04UI)畫直方圖,該區域也是標準中指定的測試TDEC的區域。假設該區域內的計算的誤碼率BER不高于目標誤碼率5e-5

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圖3


 B  利用算法給該區域內的信號加入噪聲來引入誤碼,一直加噪聲到誤碼率達到5e-5為止,例如下圖4的紅色標識。

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圖4


 C  示波器內部根據前面輸入信號的幅度和周期構造理想信號模型,并在該理想信號的相同區域用算法加入噪聲,直至誤碼率達到5e-5為止,如下圖5綠色標識。

image.png

圖5


 D  最后將綠色代表的加入噪聲和之前紅色代表的加入噪聲進行比值,取dB單位,就得到了TDEC,如圖6。

image.png

圖6

從上面的流程可以看出,TDEC的測試就非常簡單了,儀表方面只需要一個采樣示波器就可以(當然完全按照標準規范還需要CDR),并且測試速度很快,只需要2s左右即可完成。

到此為止,TDEC是一個兼具完美直觀的物理含義和簡單測試方法的參數,然而由于100G-SR4測試中模板余量的存在,人們依然習慣了模板的測試,而使得TDEC的存在感還是比較低。但是,這為后面的TDECQ的誕生打下了一個堅實的基礎。



TDECQ的誕生和測試


從NRZ信號到PAM4信號的轉變,絕不是簡單的量變,而是一個質的變化。

因為PAM4信號格式的特點,帶來了測試參數和測試方法的巨大變革,這里不再贅述PAM4的特點和測試挑戰,而聚焦于一個問題:以前NRZ時代大家常用的模板余量測試,在PAM4時代還適用嗎?不適用的話又如何替代?

這不是一個那么容易的問題,即使IEEE802.3協會也花了好幾年的時間才逐漸找到了答案并還在不斷完善之中。我們無需重復過往的摸索階段,只需要跟上時代的變化,了解它的最新進展情況即可。

首先在所有目前的公開標準規范中,一個共識是模板余量已經不再適合PAM4的測試,這時候在我們面前的這座大山,繞無可繞,只能翻過去,需要用新的參數來表征發射機的性能

這個新的參數就是TDECQ  (Transmitter and Dispersion Eye Closure for PAM4) 



 1.偉大的誕生 

2                          2



為什么是TDECQ?

那是因為從物理上來說,衡量一個光發射機性能的最直接的參數就是前面提到的TDP,無論是NRZ的發射機還是PAM4的發射機。看來TDP還是最受標準協會組織青睞的參數啊。為了以示區別,對于PAM4而言,就改名叫TDECQ了,Q是四電平Quaternary的首字母。所以TDECQ的物理含義和TDP一模一樣,就不再重復說明了。


TDECQ的計算方法呢?

顯然和前面的TDEC也是類似的。下圖7是IEEE802.3標準組織對于「TDECQ的測試框圖」:


image.png


圖7 IEEE802.3標準組織對于TDECQ的測試框圖


看起來是不是很眼熟?和TDEC的幾乎一樣。只不過:

? 對于單模信號而言,還是需要在鏈路中增加光纖以滿足損耗和色散的要求;

? 對于多模而言,就可以省去光纖了。



 2.TDECQ的測試 

    2                   2


先回顧一下TDECQ的兩個測試前提:測試碼型測試接收機


IEEE802.3bs對于PAM4信號的測試碼型要求如表2:

image.png

表2 IEEE802.3bs對于PAM4信號的測試碼型要求


其中:

  • PRBS13Q

    是由兩段PRBS13碼型進行格雷編碼(0-00,1-01,2-11,3-10)后得到的長度為8191的四電平碼型,可用來進行發射機的ER/OMA的測試;

  • PRBS31Q

    同樣是由兩段PRBS31碼型進行格雷編碼(0-00,1-01,2-11,3-10)后得到的長度為231-1 的四電平碼型,注意該碼型只用來進行PAM4系統靈敏度的測試;

  • SSPRQ (Short Stress Pattern Random Quaternary)

    完全是人為構造的新的碼型,是從傳統的PRBS31碼型里面選取4段對于發射機壓力比較大的碼型進行拼接編碼而成,長度是216-1,其好處是既可以對被測發射機施加足夠的壓力從而更加接近測試其在真實業務下的性能,又具有短碼型的特征,從而使得采樣示波器可以捕獲整個碼型進行均衡等信號處理了。SSPRQ是進行TDECQ測試的碼型。

對于PAM4光信號的測試(包括TDECQ等參數),IEEE802.3bs規范要求測試儀表的參考接收機必須滿足兩個要求:

a. 理想的四階貝塞爾-湯姆遜低通濾波頻響;

b. 該低通濾波頻響的3dB帶寬是被測信號符號率的一半(13.28GHz for 26.56GBaud, 26.56GHz for 53.125GBaud)。

注意:對于多模26.56GBaud PAM4光信號測試,帶寬變為11.2GHz。



測試碼型和測試接收機確定了以后,我們繼續來看「TDECQ的測試」。

TDECQ的測試里面,對于CDR的要求是環路帶寬4MHz, slope 20dB/dec, 1st order, no peaking。


image.png

圖8


和NRZ不同的是,由于PAM4信號本身的復雜性,需要在信號接收端使用均衡器來張開眼圖,所以,TDECQ的測試儀表中需要均衡器(reference equalizer),標準已經規定了均衡器是5 tap/T spaced的FFE均衡器,但均衡器的具體系數則是軟件算法根據輸入的信號來確定。


在嚴格標準規范測試中,是需要根據TDECQ的測試框圖搭建光鏈路進行的,但在實際的PAM4生產測試中搭建如此復雜的光鏈路顯然是不切實際的,所以很多情況下人們省略了光纖鏈路而直接測試光發射機輸出信號的TDECQ。



TDECQ的測試流程」和前面描述的TDEC是一樣的:


 A  對于進入示波器的光信號,在圖9的藍色方框區域 (0.45UI和0.55UI,每個方框寬度0.04UI,為方便起見,只顯示一半) 畫直方圖,該區域也是標準中指定的測試TDECQ的區域。假設該區域內的計算的誤符號率SER不高于規范要求的目標誤符號率4.8e-4

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圖9


 B  利用算法給該區域內的信號加入噪聲來引入誤碼,一直加噪聲到誤碼率達到4.8e-4為止,例如下圖10的紅色標識。

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圖10


 C  示波器內部根據前面輸入信號的幅度和周期構造理想信號模型(虛擬理想發射機),并在該理想信號的相同區域用算法加入噪聲,直至誤碼率達到4.8e-4為止,如下圖11深藍色虛線標識。


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圖11


 D  最后將深藍色代表的加入噪聲和之前紅色代表的加入噪聲進行比值,取dB單位,就得到了TDECQ,如下圖。

image.png

圖12


注意:如果被測信號(經過均衡后)的誤符號率SER高于4.8e-4是不能繼續進行TDECQ的計算的,這時候就要想辦法先提高被測信號的質量。


從這個流程可以看出,TDECQ的計算過程是直截了當容易理解的,并且基本都靠算法實現,和TDP測試項目相比,大大減少了儀表的投入和測試時間的花費。

然而,正是由于TDECQ的測試主要依靠算法實現,標準組織也在不斷的優化算法,優化TDECQ的測試結果,從而使得該項測試和真實PAM4系統環境盡量保持一致。所以,從IEEE802.3bs到IEEE802.3cd,都在算法設置層面進行了優化。

◆ 例如,上面藍色方框的的區域不局限于0.45UI和0.55UI,只要滿足兩個方框間隔0.1UI,各自寬度0.04UI即可(IEEE802.3bs增加的);

◆ 又如,判斷閾值電平可以允許在理想位置的基礎上有1% OMA的波動區間(IEEE802.3cd增加的)。標準組織優化TDECQ的工作并沒有停止,可能會在將來的其他規范中進行補充。所以說跟上時代標準的發展潮流是進行規范測試的必要條件啊。



最后上一張「TDECQ的測試方案框圖」,如圖13所示:


image.png

圖13


Keysight可以提供業界最符合標準規范的TDECQ測試方案(N1092系列+N1077/8A系列及N1092A/B 內置CDR系列)

  • 藍色的是均衡器之前的PAM4信號

  • 黃色的是均衡器之后的PAM4信號





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