前言:谈到光接口的时域指标
测试,工程师言必称采样
示波器(sampling scope)。因为采样
示波器拥有不可比拟的信号完整性方面的优势:带宽高、噪声低、量化误差小(垂直分辨率高),美中不足是需要同步触发时钟,以至于光工程师都渐渐遗忘了实时
示波器(real-time scope)。
挑战:长久以来,
工程师们在进行光接口
测试(尤其是光模块
测试)时都不担心同步触发时钟,要么从码型发生器(Pattern Generator)引过来、要么使用时钟恢复单元(Clock Recovery)从被测信号上恢复时钟。前者在生产
测试上是极具成本优势的,后者多用于研发,追求极致的
测试效果。但是随着光接口速度的不断提升,尤其是2
5GBps以上的多路光接口。每个信号通路上都加入了re-timer单元,也就是说同一个光接口(光模块)中的不同路信号其实是不同源的。也就是说来自于码型发生器(Pattern Generator)的同步时钟和信号已经未必同步了,这一点在当前的PAM4光模块
测试上尤其明显。经过实际对比
测试发现,使用时钟恢复单元(Clock Recovery)进行
测试时结果要比使用码型发生器(Pattern Generator)同步时钟作为触发更加好。不过,当工程师需要进行更高速度的
测试时,时钟恢复设备的价格就会非常高,大大增加
测试成本。
图一:一个典型的多路2
5GBps光收发器,每一路都有retimer
新的尝试:总所周知,采样
示波器的不便之处正是实时
示波器的天生优势:在捕获信号的时候实时
示波器使用内部时基,无需外部的同步触发时钟。但是实时
示波器给人的印象总是:带宽低、噪声高、量化误差大。还有更要命的是:只支持电输入。所幸的是随着技术的不断革新,实时
示波器发生了翻天覆地的变化,带宽不再是问题、噪声越来越低,而且最重要的是配合实时
示波器的高带宽光探头出现了。于是,工程师们可以尝试使用高性能实时
示波器来进行新一代光接口的
测试了。
实时
示波器+光探头的组合完全无需考虑外部的同步触发信号,直接完成信号的捕获。而时钟恢复用软件实现,锁相环带宽更加精准,也更加弹性(在研发场合可以任意的设置锁相环带宽)。而且
测试连接及其简单,只需一根光纤而无需任何的电缆。
图二:全新的实时光接口
测试方案
图三:实时分析软件的简洁配置界面
完善的
测试项目的支持:除了支持IEEE要求的一致性
测试项目之外,更支持众多研发
测试项目:如抖动、误码定位以及误码率预估。
图四:除了IEEE要求的一致性
测试项目之外,更支持众多研发分析类项目
图五:误码检测与定位
测试结果对比:测试结果非常一致。
讨论&结束语:实时
示波器方案已经崭露头角,无论从
测试连接的便利性还是
测试结果的相关性上都展示出正面的结果。
实时Vs取样 :优孰劣?
|
实时示波器方案 |
采样示波器方案 |
波形捕获速度 |
快,毫秒级 |
慢,秒级 |
外部触发时钟 |
不需要 |
需要 |
时钟恢复锁相环带宽 |
软件实现,设置灵活 |
硬件CDR,设置范围有限制 |
垂直轴分辨率 |
8bit |
14bit |
低噪声 |
稍高 |
低 |
触发系统抖动底噪 |
100fs级 |
400fs级 |
实时Vs取样:哪个
测试结果更真实?或者说更能反映一个真实接收机的接收效果?这是每个工程师都非常关心的问题。
|
实际接收机 |
实时示波器 |
采样示波器 |
信号采集 |
连续 |
连续 |
间隔 |
时钟恢复 |
硬件 |
软件 |
硬件 |
信号采集 |
单次 |
单次 |
重复 |
幅度漂移的敏感度 |
不敏感 |
不敏感 |
敏感 |
对低频抖动的敏感度 |
不敏感 |
不敏感 |
不敏感 |
对高频抖动的敏感度 |
敏感 |
敏感 |
敏感 |
觉得实时方案不靠谱的基本上都是担心
示波器的垂直分辨率以及底噪声。觉得实时方案好的主要基于触发抖动以及更精准的时钟恢复设定。
不过泰克全新的ATI
示波器采用 异步时序交织结构,实现了 70 GHz和 200 GS/s(5 ps/样点)实时采集性能。这种已获专利的对称结构本身的噪声要远远优于传统带宽交织方法。DPO70000SX 提供了最低的噪声、最高的保真度和最大的性能。图中显示了应用到ATI 输入的60 GHz 正弦波抖动分析。 结果显示干净的眼图,随机抖动RJ <80 fsRMS
正式基于泰克ATI
示波器的高性能,ATI
示波器已经广泛应用于进行复杂的光调制分析,对高速串行信令和频率进行抖动和噪声分析,对宽带
RF 信号进行相位和调制分析。比如最近长春光机所中德绿色光子学研究中心,采用泰克的ATI
示波器进行“低能耗VECSEL 200+ Gbps 光互联”研究,
下图来自Gunter Larisch 论文《Energy-efficient VCSELs for 200+ Gb/s optical interconnects》
图八:实时
示波器帮助低成本低功耗50GBps激光器件的研究
文中使用实时
示波器用于多模低成本、低功耗激光器件的研究。从图中的DUT速率为50GBps且经过了2米长的OM5多模光纤的传输。出色的信号完整性以及灵活而全面的抖动分析功能是Larisch博士选择实时
示波器的原因。