400G的光模塊普遍采用了PAM4(4-level Pulse Amplitude Modulation：4電平脈沖幅度調(diào)制)的信號(hào)調(diào)制技術(shù)，即采用4個(gè)不同的信號(hào)電平來(lái)進(jìn)行信號(hào)傳輸，每個(gè)符號(hào)周期可以表示2個(gè)bit的邏輯信息(0、1、2、3)。

因此，要實(shí)現(xiàn)同樣的信號(hào)傳輸能力，PAM4信號(hào)的符號(hào)速率只需要達(dá)到NRZ信號(hào)的一半即可，傳輸通道對(duì)其造成的損耗大大減小，但付出的代價(jià)是信噪比會(huì)比NRZ信號(hào)惡化很多，測(cè)量方法也會(huì)有比較大的差異。下圖是典型的NRZ信號(hào)的波形、眼圖與PAM4信號(hào)的對(duì)比。

對(duì)于400G光模塊來(lái)說(shuō)，其主要的高速接口包含電輸入接口、光輸出接口、光輸入接口、電輸出接口，以及其它的電源和低速管理接口。因此，對(duì)于400G光模塊的電氣性能驗(yàn)證來(lái)說(shuō)，其主要測(cè)試項(xiàng)目分為光口發(fā)射機(jī)指標(biāo)、光口接收機(jī)容限、電口發(fā)射機(jī)指標(biāo)、電口接收機(jī)容限、系統(tǒng)測(cè)試。

發(fā)射機(jī)測(cè)試：光發(fā)射機(jī)、電發(fā)射機(jī)電氣特性測(cè)試環(huán)境如下。

發(fā)射機(jī)的測(cè)量項(xiàng)目又分為光發(fā)射機(jī)的測(cè)量項(xiàng)目和電發(fā)射機(jī)的測(cè)量項(xiàng)目，主要用于驗(yàn)證光口及電口輸出信號(hào)的質(zhì)量。

光發(fā)射機(jī)測(cè)試方法

主要用于驗(yàn)證被測(cè)光模塊發(fā)出光信號(hào)的質(zhì)量。測(cè)試方法如下：被測(cè)光模塊插在MCB夾具上，上電并配置正常工作;誤碼儀產(chǎn)生PAM4電激勵(lì)信號(hào)送給光模塊一路電輸入端，使得被測(cè)光模塊輸出SSPRQ的光信號(hào)，模塊的相鄰電通道上輸入PAM4的串?dāng)_信號(hào)。輸出光信號(hào)經(jīng)時(shí)鐘恢復(fù)進(jìn)采樣示波器進(jìn)行光發(fā)射機(jī)參數(shù)測(cè)試。更換其它通道依次測(cè)量所有通道光發(fā)射機(jī)指標(biāo)。

TDECQ (Transmitter and dispersion eye closure for PAM4)即發(fā)射機(jī)色散眼圖閉合代價(jià)，是衡量光發(fā)射機(jī)經(jīng)過(guò)一個(gè)典型的光通道后PAM4信號(hào)功率裕量的損失。正常用于光信號(hào)傳輸?shù)募す馄鞫加幸欢ǖ淖V線寬度，經(jīng)過(guò)一段距離傳輸后，色散效應(yīng)就會(huì)造成信號(hào)中不同波長(zhǎng)成分的傳輸時(shí)延的變化。這些不同傳輸時(shí)延的信號(hào)在接收端疊加在一起就會(huì)造成信號(hào)質(zhì)量的惡化，從而導(dǎo)致接收端的靈敏度下降。

在10G以太網(wǎng)IEEE 802.3ae標(biāo)準(zhǔn)里，這個(gè)指標(biāo)定義為TDP (Transmitter and Dispersion Penalty) ;在100G以太網(wǎng)IEEE 802.3bm標(biāo)準(zhǔn)里，這個(gè)指標(biāo)定義為TDEC(Transmitter and Dispersion Eye Closure) ;而在針對(duì)200G/400G以太網(wǎng)IEEE 802.3bs標(biāo)準(zhǔn)里，這個(gè)指標(biāo)就是TDECQ(Transmitter and dispersion eye closure for PAM4)。

TDECQ通常用dB表示，對(duì)于PAM4信號(hào)來(lái)說(shuō)，TDECQ值越小，表示這個(gè)信號(hào)相對(duì)于理想信號(hào)的功率裕量損失越小，或者說(shuō)能在光纖里傳輸更遠(yuǎn)的距離。根據(jù)802.3bs里的定義，TDECQ的參考測(cè)試方法如下圖所示：

在測(cè)試中，被測(cè)件產(chǎn)生SSPRQ碼型的光信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)測(cè)試光纖進(jìn)行傳輸。被測(cè)信號(hào)經(jīng)光纖傳輸后進(jìn)入測(cè)量用的采樣示波器，采樣示波器一方面通過(guò)符合規(guī)范的CRU(Clock Data Recovery)電路進(jìn)行時(shí)鐘恢復(fù)，另一方面把被測(cè)光信號(hào)經(jīng)過(guò)參考濾波器后進(jìn)行采樣。采樣后的波形要進(jìn)行5階FFE的信號(hào)均衡，然后以CRU恢復(fù)時(shí)鐘為基準(zhǔn)形成PAM4信號(hào)眼圖。

眼圖形成以后，再根據(jù)信號(hào)眼圖的光調(diào)制幅度(OMA)、信號(hào)幅度噪聲(R)、以及和誤碼率要求對(duì)應(yīng)的外推系數(shù)(Qt)根據(jù)公式計(jì)算TDECQ的值。

下圖是在采樣示波器里對(duì)均衡后光信號(hào)的參數(shù)進(jìn)行OMA、ER、TDECQ等參數(shù)測(cè)試的例子。我們可以看到，盡管很多測(cè)量參數(shù)的定義非常繁瑣，但基于示波器里的PAM4測(cè)量選件，使用者不需要繁瑣的操作，就可以快速得到需要的測(cè)量結(jié)果。

電發(fā)射機(jī)測(cè)試方法

主要用于驗(yàn)證被測(cè)光模塊電口輸出的質(zhì)量。測(cè)試方法如下：被測(cè)光模塊插在MCB夾具上，上電并配置正常工作;誤碼儀產(chǎn)生PAM4電激勵(lì)信號(hào)送給光模塊一路電輸入端，光模塊相鄰電通道上輸入PAM4的串?dāng)_信號(hào)。輸出光信號(hào)環(huán)回到光接收機(jī)，并測(cè)試其電通道輸出的PRBS13Q信號(hào)參數(shù)。

眼高(Eye Height)和眼寬(Eye Width)是400G光模塊電信號(hào)質(zhì)量測(cè)試的重要參數(shù)。在IEEE 802.3bs規(guī)范中，定義眼圖測(cè)試時(shí)使用PRBS13Q的PAM4碼型。被測(cè)點(diǎn)輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)參考均衡器和時(shí)鐘恢復(fù)后疊加形成眼圖。因此，合適帶寬的示波器、正確的均衡器以及可靠的時(shí)鐘恢復(fù)對(duì)于PAM4信號(hào)的眼圖測(cè)試至關(guān)重要。而對(duì)于Module輸出端的測(cè)試來(lái)說(shuō)，還需要模擬出信號(hào)經(jīng)過(guò)Host內(nèi)部走線損耗對(duì)于信號(hào)的影響，所以測(cè)試中示波器還需要在捕獲到的信號(hào)上疊加上約6.4dB的傳輸通道損耗。

由于PAM4信號(hào)會(huì)形成3層眼圖，所以對(duì)每層眼圖要分別測(cè)量。在IEEE 802.3bs規(guī)范里，定義以中間層眼圖的中心位置為參考點(diǎn)計(jì)算眼高和眼寬。在測(cè)試過(guò)程中要更換不同的均衡器的值，并根據(jù)信號(hào)的噪聲和抖動(dòng)概率分布來(lái)計(jì)算等效的眼高和眼寬，這是一個(gè)非常復(fù)雜的計(jì)算過(guò)程，這里不做具體論述。

接收機(jī)及誤碼率測(cè)試

發(fā)射機(jī)的測(cè)試項(xiàng)目主要用于保證光模塊的光口和電口輸出信號(hào)的質(zhì)量。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，還需要驗(yàn)證光模塊的光口和電口接收信號(hào)的能力。

光模塊接收到的光信號(hào)通常經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)距離的光纖傳輸，接收到的光信號(hào)上可能疊加了各種抖動(dòng)和噪聲，所以光接收機(jī)測(cè)試可以用于驗(yàn)證被測(cè)光模塊對(duì)于惡劣光信號(hào)的容忍能力。

同時(shí)，光模塊需要從電口接收交換機(jī)或服務(wù)器發(fā)送過(guò)來(lái)的電信號(hào)并轉(zhuǎn)成光信號(hào)發(fā)出去。由于電信號(hào)經(jīng)PCB、連接器傳輸會(huì)產(chǎn)生較大的損耗和發(fā)射，所以電接收機(jī)測(cè)試項(xiàng)目可以驗(yàn)證被測(cè)光模塊對(duì)于惡劣電信號(hào)的容忍能力。

光接收機(jī)測(cè)試方法

IEEE 802.3bs規(guī)范中對(duì)于光接收機(jī)的壓力容限測(cè)試方法描述如下：通過(guò)參考的PAM4信號(hào)源與抖動(dòng)、噪聲、碼間干擾注入源，以及參考的光發(fā)射機(jī)產(chǎn)生所需的光壓力信號(hào)。

對(duì)光壓力信號(hào)由外圍消光比OER，外光調(diào)制幅度OOMA和壓力眼圖閉合代價(jià)SECQ來(lái)表征。PAM4光壓力信號(hào)首先由一個(gè)參考光接收機(jī)進(jìn)行校準(zhǔn)，以確保其參數(shù)符合規(guī)范要求。這個(gè)接收機(jī)包含符合規(guī)范要求的理想4階貝塞爾-湯姆遜低通濾波器，規(guī)范要求的FIR均衡器以及時(shí)鐘恢復(fù)功能。

校準(zhǔn)后的光壓力信號(hào)輸入被測(cè)接收機(jī)的一個(gè)通道，被測(cè)接收機(jī)其余通道輸入正常通信的光信號(hào)。最后由被測(cè)光模塊環(huán)回電信號(hào)到誤碼儀的誤碼檢測(cè)口，或通過(guò)接收機(jī)內(nèi)部的誤碼統(tǒng)計(jì)功能進(jìn)行誤碼和壓力靈敏度等測(cè)試。下圖是400G-DR4光模塊的光壓力眼圖測(cè)試框圖，以及各部分對(duì)應(yīng)的測(cè)試儀表。

電接收機(jī)測(cè)試方法

IEEE 802.3bs規(guī)范中對(duì)于光模塊的電輸入口的壓力容限測(cè)試方法描述如下：通過(guò)參考電發(fā)射機(jī)(通常是碼型發(fā)生器)以及抖動(dòng)注入源、碼間干擾源和串?dāng)_源，將壓力電信號(hào)輸入MCB夾具。之后將參考接收機(jī)(通常是示波器)通過(guò)HCB夾具與MCB夾具連接在一起，對(duì)壓力電信號(hào)進(jìn)行校準(zhǔn)。

參考接收機(jī)包含符合規(guī)范要求的理想4階貝塞爾-湯姆遜濾波器，規(guī)范要求的CTLE均衡器以及時(shí)鐘恢復(fù)功能。PAM4電壓力信號(hào)由眼圖對(duì)稱模板寬度ESMW，眼寬EW，眼高EH和附加正弦抖動(dòng)SJ的頻率和幅度來(lái)表征。經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的電壓力信號(hào)接入被測(cè)模塊電輸入口被測(cè)通道，并由模塊內(nèi)的FEC誤碼檢測(cè)功能進(jìn)行誤碼與接收容限測(cè)試，或?qū)⑿盘?hào)環(huán)回輸出至外部的誤碼分析儀進(jìn)行分析。

系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)測(cè)試的主要目的是驗(yàn)證被測(cè)光模塊配合交換機(jī)工作時(shí)，在真實(shí)的業(yè)務(wù)流量情況下的誤碼率以及錯(cuò)誤容忍能力。400G的光模塊普遍采用了PAM4(4電平調(diào)制)技術(shù)，雖然減少了高速信號(hào)傳輸需要的帶寬，但由于信噪比的惡化，使得其原始誤碼率很難達(dá)到傳統(tǒng)2電平調(diào)制時(shí)1e-12的水平，所以其原始誤碼率的要求比較低，比如IEEE 802.3bs中對(duì)于光口誤碼率的要求僅僅為2.4e-4。

很多通信過(guò)程在這么高的誤碼率情況下是無(wú)法正常工作的，所以FEC(前向糾錯(cuò))技術(shù)被普遍采用。FEC是通過(guò)在數(shù)據(jù)塊里插入一些冗余的校驗(yàn)bit，可以對(duì)隨機(jī)產(chǎn)生的錯(cuò)誤bit進(jìn)行修正，從而保證最終數(shù)據(jù)包的丟包率在可以接受的范圍之內(nèi)(<6.2e-11)。

因此，系統(tǒng)測(cè)試中需要對(duì)光模塊的原始誤碼率以及經(jīng)過(guò)FEC修正后的丟包率都進(jìn)行測(cè)試，并驗(yàn)證在出現(xiàn)已定隨機(jī)錯(cuò)誤符號(hào)或者頻率偏差時(shí)系統(tǒng)性能是否受到影響。典型的系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境如下：

其測(cè)試方法如下：在數(shù)據(jù)流量測(cè)試儀上發(fā)送64字節(jié)長(zhǎng)度連續(xù)數(shù)據(jù)幀，F(xiàn)EC修正前的BER值應(yīng)小于2.4e-4;在流量測(cè)試儀上運(yùn)行以太網(wǎng)流量測(cè)試軟件，并發(fā)送64字節(jié)長(zhǎng)度、100%線速率的數(shù)據(jù)幀，累積至少1e+12個(gè)數(shù)據(jù)幀后，讀取端口的Frame Loss Ratio值應(yīng)小于6.2e-11;在流量測(cè)試儀上進(jìn)行FEC后單個(gè)或多個(gè)(<15個(gè))的誤碼注入，并驗(yàn)證經(jīng)FEC后的誤包率滿足802.3bs的規(guī)范要求;在流量測(cè)試儀上對(duì)速率進(jìn)行100ppm的調(diào)整，并驗(yàn)證誤碼率和誤包率滿足802.3bs的規(guī)范要求。

下圖是進(jìn)行FEC修正前的誤碼率及FEC修正后的丟包率測(cè)試的例子。