测试 800G 直接调制光信号

光通信系统一直是我们信息基础设施建设的关键推动力。许多用于存储和传输信息的数据中心拥有数英里的光纤和数千个激光/光电探测器接收器，用于通过光纤发送和接收信息。增加容量和开发以更高数据速率运行的新系统的过程继续存在着无情的商业压力。这不是一个简单地设计移动更多信息的系统的过程。这些系统的成本需要下降。数据中心有时以英亩和兆瓦来描述，这表明运行数据中心所需的电力是巨大的。有强烈的动机去寻找不仅以更高的容量运行，而且在使用更少能源的情况下运行的方法。

基本的光通信系统具有将电数据转换为调制光的激光发射器、光纤和用于将调制光转换回电信号的光电二极管接收器。由于在数据中心环境中，很少要求光链路由单个供应商制造，因此设计光通信系统很复杂。发射器、光纤和接收器可能由三个不同的公司生产。这个被称为互操作性的概念为数据中心设计人员提供了灵活性，并促进了供应商之间的竞争，从而带来更多的创新和更低的成本。这样做的缺点是设计系统和指定系统中的组件变得更加复杂。

IEEE 802.3 等标准组织提供了一个公共论坛来定义通信系统。会议对所有人开放，由数据中心设计人员以及网络设备、收发器和光纤制造商参加。由于该标准将定义性能及其验证方式，因此测试和测量公司也参与其中。标准组的基本输出之一是一组发射机规范和一组接收机规范。同样，这两组的存在是为了促进互操作性。最近，IEEE 802.3cu 工作组发布了每波长 100Gbps 草案文件，这将是未来基于光纤的互连的关键规范。

规范通常从接收器开始，其中对信号强度的限制将决定光电探测器将光信号转换为电数据的可靠性。如果信号电平低于推荐的灵敏度，接收器会犯太多错误，这通常被视为误码。这个阈值被称为接收灵敏度限制。

对于信号必须传输的距离，通常会有一个目标，可能短至 100 米，也可能长达 40 公里。由光纤引起的衰减是众所周知的，因此从接收器向后工作，考虑到光纤的预期损耗，然后定义发射器必须产生的最小信号功率电平。实际上，它更复杂，因为除了简单地将功率降至接收器灵敏度限制以下之外，还有多种机制会导致系统产生误码。

从接收器的角度来看，在相同功率水平下工作的两个激光器可能会产生非常不同的信号。当今最先进的系统以超过 50GBaud (PAM4) 的速度运行。也就是说，必须以每秒高达 500 亿次的速度在发射器上打开和关闭灯。接收器必须检测到灯是开还是关，质量较低的发射器可能会很慢。当接收器做出决定时，激光器可能会产生不稳定的信号。因此，激光信号的质量需要满足最低水平。同样，我们不能期望有完美的发射器，因此接收器需要对非理想输入信号有一定的容忍度。这导致了对发射器和接收器的一些重要要求：

光发射机评估

• 光调制幅度（OMA）：发射机逻辑电平之间的差异。

• 相对强度噪声 (RIN)：衡量发射器产生的噪声量。

• 发射机色散和眼图闭合：TDEC 或 TDECQ（用于 PAM4 调制）是信号质量的统计量度，表明信号在接收机中产生错误的可能性（图 1）。

• 过冲/下冲：最近在 IEEE 802.3cu 中定义的新指标可保护接收器免受输入信号的严重瞬态影响。

光接收器受损信号

应力接收灵敏度（SRS）：当进入接收器的信号是来自发射器（和通道）的最坏情况预期信号时，低于预期水平的误码率或预期丢帧率。

测试仪器的开发旨在为受压接收机测试提供仪器级光学损伤（针对特定的 TDECQ、ER 和 OMA 目标）。图 2 展示了一个典型的光学 SRS 信号，该信号将用于测试目的。

发射机通常使用专门的数字通信分析仪示波器进行测试。这些仪器具有内置的光学参考接收器和固件，可以执行这些标准要求的测量。同样，对于接收器，SRS 测试系统（图 3），包括校准的“受损”信号和误码率测试仪 (BERT)，可用于验证标准一致性。

100Gbps 的链路性能——无论是电的还是光的——都比低速 25 或 50Gbps 的同类产品以更高的误码率运行。当前的 100Gbps 接口以高达 2E-4 BER 的本机链路错误率运行，并依靠现代 Reed-Solomon 前向纠错 (RS-FEC) 技术来纠正传输中自然发生的随机和孤立比特错误。

前向错误编码是在数据转换到物理媒体附件 (PMA) 之前在物理编码子层 (PCS) 上开始处理数据的过程。此 PCS/PMA 接口管理数据错误编码、交织、加扰和对齐贡献。这种 PCS/PMA 编码系统对错误率分析提出了挑战，因为现在在大量数字纠错和交错电路下，观察物理误码产生根本原因的过程变得模糊不清。检查导致不可恢复数据帧的光传输中的物理错误的愿望是一个复杂的过程，并且测试仪器供应商今天正在积极推进这一过程。诸如 layer1 BERT 和 KP4 FEC 多端口分析系统等专用工具现在是接收器容差和通用 FEC 感知调试工具不可或缺的一部分（图 4）。

存在于 FEC 校正光信号与其实际原始物理传输之间的 PCS/PMA 差距可以通过 Keysight 的 400G FEC 感知接收器测试系统来弥补，该系统分析 FEC 编码数据流并可以引导示波器定位（触发）物理错误发生位置的光学接口，并首次为系统设计人员提供了一种工具，将 FEC 后错误分析与物理传输的分析和可视化并排连接起来。

总结

目前，最高容量的直接调制数据通信系统以 400Gbps 的速度运行。这些系统具有多个 100Gbps 通道，或者使用四个发射器和四根光纤，或者具有四个波长发射器和一根光纤。第一代 800Gbps 链路将通过更高密度的连接器（例如 QSFP-DD 和 OSFP 互连）成为 2 倍放大的 400Gbps 系统。在这种情况下，只需将更多的 100Gbps 通道聚合到 800Gbps，规格和测试方法将保持与 400Gbps 系统相似。原生 ×4 通道宽 800Gbps 链路将取决于当前正在进行的电气和光学规范的进步。这个 800Gbps 的下一个速度等级很可能会在电气和光学上提升到每通道 200Gbps 的原生速度，同时满足强大的市场需求，以降低整体功耗和成本。

当实现 200Gbps 单通道传输时，100Gbps 的测试方法和技术可能会得到高度利用，但是，200Gbps 领域可能会采用调制方法的进步，因为重点是提高传输效率，管理已知带宽瓶颈是关键压力点这个行业。是德科技的测量合作伙伴是这些尖端标准工作不可或缺的贡献者，以确保随着这些技术发展到下一代数据中心架构的 800Gbps 和 1.6Tbps，有效的测试解决方案继续可用。

本文由互联网基础设施解决方案数字通信分析测量应用专家 Greg D. Le Cheminant 撰写； IP 有线解决方案战略规划师和数据通信技术主管 John Calvin；是德科技（加利福尼亚州圣罗莎）。欲了解更多信息，请访问 这里 .