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应用笔记: HFAN-04.

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04/08 用于 4Gbps 850nm FC 接收机的极限测试源 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-04.5.3 (Rev. 1;

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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 62.5 micron 2.18 /

80 2.03 /

40 2.14 /

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 (AOP)的ISI (闭合度)明显大于逻辑低电平的数值. 应用笔记 HFAN-04.5.3 (Rev. 1;

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9 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 (A0/AN) ~ 2.1dB (1) 式中A0和AN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: 有效垂直闭合度 [dB] = -10 x log(2 x A0P/AN) = 2.6dB (2) 误码率主要取决于相对均值或门限的闭合度. 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) 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-04.5.3 (Rev. 1;

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9 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 FILTER ERROR DETECTOR OPTICAL ATTENUATOR RX UNDER TEST LIMITING AMP VCSEL CLOCK 4TH ORDER BT FILTER BIAS TEE BIAS SUPPLY STRESSED EYE GENERATOR Optical Fiber 图3. 进行极限眼图测试的配置框图 应用笔记 HFAN-04.5.3 (Rev. 1;

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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、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. 图4. 极限眼图测试的元器件图 表2. 极限眼图生成器中采用的元器件 Item Description First DJ Filter 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 Picosecond Pulse labs 2.3GHz BT filter Bias Tee Mini Circuits ZFBT-4R2 series 4Gbps or faster VCSEL Picolight PL-SLC-00-SG0-C0 Advanced Optical Components : HFE-4192-581 VCSEL Connector End Launch SMA connector, Johnson 142-0701-801 VCSEL BT filter Bias Tee Data Input MAX3748 post amp Bias Port 应用笔记 HFAN-04.5.3 (Rev. 1;

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9 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 0.2VP-P,连接跳 线为 0.4VP-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. A0P AN ~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-04.5.3 (Rev. 1;

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9 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. 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 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10-12 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. AN A0P A0P 图6. ROSA 差分极限输出眼图 应用笔记 HFAN-04.5.3 (Rev. 1;

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9 BER curves for RX at 4.2 Gbps 1.00E-12 1.00E-11 1.00E-10 1.00E-09 1.00E-08 1.00E-07 1.00E-06 1.00E-05 1.00E-04 1.00E-03 -22 -21 -20 -19 -18 -17 -16 -15 -14 -13 -12 -11 -10 -9 -8 OMA in dBm B ER B-2 Stressed B-2 Intrinsic Spec Intrinsic Spec Stressed 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. 33-53. [2] David C Cunningham, William G Lane, Gigabit Ethernet Networking, Macmillan Technical Publishing, Indianapolis, 1999, pp. 301-336 应用笔记 HFAN-04.5.3 (Rev. 1;

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