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发布日期: 2011年8月31日

100 GigE 电通道的信号调节

100 GigE 电通道的信号调节

10/19/2010

随着 40G/100G 系统的实现,主要的收发器供应商都在致力于开发需要对电接口进行特定信号调节才能正常工作的 CFP 光模块。对于基于 CFP 的光模块,当今市面上销售的各种 40G/100G 配置都涉及在单模光纤 (SMF) 上的 WDM 或并行多模 (MMF) 带状光纤上独立运行的并行光器件中传输多个光通道。例如,在 40G 传输的情况下,以 4 x 10G 的配置发送光信号;而对于 100G 传输,则以 4 x 25G 或 10 x 10G 的配置发送发信号。在任一情况下,光信号均来源于 CFP 模块中模块接口(即 CAUI 或 XLAUI 接口)处的各个 10.3 Gbit/s 电通道。必须对每个 10.3 Gbit/s CAUI 通道进行电路分析和优化,才能实现最佳的性能并且将该接口上的任何信号完整性问题导致的错误降低至最低程度。

高速信号的完整性问题

电接口中采用的 PCB 材料、电子器件、连接器、元件和引线长度会表现出特定于接口和所用光学器件的信号失真特性。下文将介绍会影响高速信号完整性的严重问题。

PCB 材料

高速信号需要以最低损耗穿过路径;此外,由于当今所采用的材料多种多样,FR-4(基于玻璃纤维的塑料叠合板)也会影响信号质量。FR-4 由于成本低廉、选购便利和性能良好而得到了广泛采用,但对于当前的高速接口(10 Gbit/s 及更高速度),介电常数、损耗系数和其他材料属性在衰减和失真方面有很大的影响,并且很容易就会有损信号质量和信号完整性。

补偿这类信号衰减的一种方法是采用损耗系数和介电常数相对更低的不同材料。然而,这些类型的材料通常更加昂贵,并且只有在不得已的情况下才会使用,而 FR-4 的覆盖面则要广泛得多,尤其是在背板和大多数电路板设计中。

大部分信号衰减可以通过信号的抖动效应轻易地观察到。通过将各个抖动分量分离开,然后在示波器上进行观察,可以更加清晰地看到这些效应。简言之,总抖动包括数据相关抖动 (DDJ);DDJ 中的一种类型是符号间干扰 (ISI)。ISI 有助于检测传输数据图案导致的介质损耗所造成的信号质量下降。

使用 FR-4 以足够高的速度通过特定路径传输 101010101010 之类的图案,然后在远端执行眼图测试,有可能会使得到的眼图受到影响,如图 1 所示。介质中的快速转变、延迟和损耗将阻止信号获得完整的“1”或“0”电平。通过以转变更少的数据图案(如 111100001111)来替换原来的数据图案,信号就有足够多的时间来达到自己的“1”和“0”电平,从而获得理想得多的眼张开度。

受到影响的高速信号的典型示例。
图 1. 受到影响的高速信号的典型示例。

电补偿

如上文所述,元件的选择和位置、连接器以及引线长度都会造成信号衰减和失真,因此有时候仅仅通过选择更好的 PCB 材料并不能予以补偿。然后,还必须要考虑进行信号预加重、去加重和均衡之类的其他解决方案,才能帮助补偿各种高速接口的传输路径中的信号损耗/反射。

预加重

预加重本质上是对信号转变的能量/频率分量进行预失真或修改(请参见图 2);使用预加重可以有效减少反射和串扰,同时改善 ISI,从而补偿信号衰减。为了最大程度的降低高频效应,对转变或位应用已知水平的能量或预失真至关重要,它还可以使信号在到达接收器端的目的地时能够更容易地得到检测,如图 3 中的眼图所示。

可以使用多个抽头设置预加重;抽头是要添加至校正位的系数。可以通过选择一个、两个或三个抽头来确定要应用至校正位的对应幅度。对于要将校正应用至后续位的后加重或去加重,可以进行类似的分析。

对数字信号应用预加重的理论示例。
图 2. 对数字信号应用预加重的理论示例。
能改进接收器眼图的预加重示例。
图 3. 能改进接收器眼图的预加重示例。

均衡

加重大多用于发送器端,而通过均衡则可以改进接收器的检测能力。在这个步骤中,会应用传输路径所消减的信号的频率-能量分量的逆传递函数,从而抵消传输路径的高频效应。对信号中的衰减频率分量进行非线性放大,放大的程度与此分量受到信号传输介质影响而造成的损耗或失真成反比。这样就可以改进均衡电路后芯片内可以看到的虚部眼张开度,如图 4a 和图 4b 的虚部眼张开度所示。

代表性的接收器内均衡信号。
图 4a. 代表性的接收器内均衡信号。
代表性的接收器内均衡信号示例。
图 4b. 代表性的接收器内均衡信号示例。

CAUI 和 XLAUI 信号分析

EXFO 在其 FTB-85100G Packet Blazer 100G/40G 以太网测试模块上提供了信号调节工具,这在市场上尚属首次。这项功能有助于对 100G/40G 系统中使用的标准光接口上的电学级问题进行鉴定和故障排除。事实上,利用这项功能,就可以直接访问 10G CAUI/XLAUI 电通道发送器的振幅和预加重/后加重控件(请参见图 5),以及在接收器端进行均衡校正。

利用信号调节接口可以访问电参数,从而使用户可以更好地针对信号完整性问题进行补偿,或者通过修改特定电参数来观察对可插拔光学器件进行压力测试所带来的效应。预加重和均衡控件能够以较宽动态范围的幅度修改信号参数,因此使得 CFP 制造商能够评估和优化其模块的性能。

CAUI/XLAUI 接口的控制面板。
图 5. CAUI/XLAUI 接口的控制面板。

结论

当今的链路集成了越来越多的高速设备,因此需要对高速信号和接口进行优化和鉴定;由此可见,技术人员、工程师、网络安装人员和光学器件制造商依赖于提供有内置信号调节工具的网络/网元测试设备,就能获得显而易见的优势。利用这样的设备,便能够以简单得多并且灵活得多的方式来识别问题、验证元件设计,并最终优化网络性能。