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光时代,光电探头补齐实时示波器一块短板!

发布时间: 2021-11-19 10:04:08 浏览数:
今天在大型数据中心,核心服务器和 Leaf 层交换机之间的互连的带宽也正在持续推高,正在从主要采用 NRZ 编码的 10G/25G迈向采用 PAM-4 编码的 50G/100G 标准光互连接口,光纤网络接口和互连正在成为核心层服务器的必备接口。
图1 当前典型的数据中心架构

面对全新的光电测试挑战,传统服务器的研发和测试工程师,您手边的常用设备——长期驰骋于DDR和PCIE/USB等测试战场的——实时示波器,还能够满足新的需求和挑战么?

诸如以下问题,是否曾经困扰过您?

  • “在研发中,我想使用实时示波器,调试/排除光模块等组件故障以及光通讯中的错误检测。”
  • “我已经花了很大的投资在实时示波器上,不想再专门为光信号测量的采样示波器再花钱。”
  • “我想看看我的光发射机的原始响应。”
  • “如果没有时钟信号来触发采样示波器,再花钱买时钟恢复模块也是很大的投资。”
  • “针对像PON这样的“突发”光信号,采样示波器无法解决,实时示波器可以么?”

事实上实时示波器在系统级研发和测试中以其强大的触发能力和调试及分析能力有更普遍的适用性,而且更符合日常使用习惯,那么如何让实时示波器继续发挥作用?现在离解决这些问题,只差一步,那就是一款恰当的用于实时示波器的光电转换探头
全新 N7005A光电转换探头为您解忧
为了解决上述类似问题和挑战,Keysight 继 3 年前推出 N7004A—33GHz 光电转换探头后,近期推出全新的60 GHz N7005A光电转换探头

图2 N7004A(上)和N7005A(下)光电转换探头

指标如下表:

_ N7004A N7005A
带宽 (砖墙响应) 33 GHz 60 GHz
带宽(4th BT) 22 GHz 46.6 GHz
带宽限制(4th BT) 33 GHz 70 GHz
耦合方式 DC
最大输入光功率 最大输入光功率 4mW (线性) 或 8 mW (非破坏性)
波长范围 750 – 1650 nm 1250-1600 nm
输入连接 FC/PC 连接,50/125 um,单模或多模 FC/PC 连接,9/125 um,单模
适用型号 Infiniium V, 90000X,90000Q,Z,UXR系列 Infiniium UXR系列,带宽≥40GHz
表1 N7004A/N7005A指标

如何理解上述指标中的砖墙响应和 4th BT响应?

首先,实时示波器带宽通常指砖墙响应下的 -3dB带宽,而针对 PAM-4信号测试,在诸如 IEEE P802.3bs™/D3.1 等标准中则明确说明采用33 GHz带宽4阶贝塞尔-汤姆逊滤波器,对CEI-56G-VSR-PAM-4采用40 GHz带宽4阶贝塞尔-汤姆逊滤波器,因此这里也将探头带宽换算成 4th BT响应带宽。

下图是 N7005A 频率响应:

图3 N7005A的砖墙响应和BT滤波拟合响应

其本身砖墙响应带宽可达60 GHz,为上图中蓝色曲线,粉色曲线是理想4阶响应,按照BT滤波器拟合后,其带宽可达46.6GHz。配合59 GHz示波器,其最终拟合带宽响应结果与上图接近。

此外每个 N7005A光电转换器均包含经过优化的校正滤波器的频率响应测量数据,该数据会平滑频率响应,实现更精确的测量。

那么针对 NRZ 和 PAM-4 光信号测试一般需要多少带宽呢?

NRZ(PAM2):

示波器 BW ≥ 光速率 *0.75 * 3/2

光信号速率 接收机BT带宽(=0.75 x 数据速率) 需要的示波器带宽(=3/2倍接收机带宽) 推荐的示波器带宽
28 Gbps 21 GHz >31.5 GHz 33GHz (V334A + N7004A)

PAM-4:

示波器 BW ≥ 光符号速率 *0.5 * 3/2

光信号速率 光符号速率 接收机BT带宽(=0.5 x 数据速率) 需要的示波器带宽(=3/2倍接收机带宽) 推荐的示波器带宽
56 Gbps 28 GBaud 14 GHz >21 GHz 40GHz (UXR0404A + N7005A)
112 Gbps 56 GBaud 28 GHz >42 GHz 59 GHz (UXR0594A + N7005A)

硬件已经俱备,软件呢?

在V/Z系列及早期 90000X 和 90000Q 示波器上安装最新版本的 Firmware 均可支持 N7004A—33 GHz 光电探头,在 UXR系列示波器型号上,10.25 以上版本均可支持。提供基本的光信号相关测量和暗电平校准功能。

在Infiniium实时示波器软件下可以得到的光信号测量项目如下:
是不是觉得这些相比采样示波器上支持的测量项目少了许多?

现在,Keysight的 FlexDCA 系列软件包也可以支持 UXR 系列示波器配合 N7005A 光电探头,提供更多测量项目。

N1010100A 研发用软件包和 N1010200A 生产用软件包可以使用 FlexRT(实时示波器控制)的FlexDCA软件功能来控制基于 UXR 的示波器和 N7005A。FlexDCA 与用于控制是德科技 N1092A / B / C / D 数字通信分析仪(DCA-M)的软件相同,该软件以执行快速而准确的光学 PAM4 测量(例如TDECQ)而闻名。

使用相同的软件应用程序来控制基于DCA和基于UXR的示波器,可以确保最佳的测量相关性,同时提供相同的UI体验,以实现最大程度的易用性。FlexRT功能控制实时采集系统,以提供经过校准的光学测量结果,例如:

  • Transmitter and Dispersion Eye Closure Quaternary(TDECQ)
  • Outer Optical Modulation Amplitude (Outer OMA)
  • Outer Extinction Ratio(Outer ER)
  • Average Optical Power
  • …..

在集成FlexRT软件后,在实时示波器上提供了便利性,可以轻松配置时钟恢复,通道和参考接收机设置,除了执行与采样示波器兼容的光参数测量还提供采样示波器不具备的调试能力

在实际使用中,推荐使用UXR系列实时示波器,其在高性能实时产品上的10bit ADC和超低本底噪声将带来相比一般8bit ADC更加优异的测量结果。

02. 光电探头使用小技巧

如何正确有效地在实时示波器上使用光电探头?

首先来看如何连接。

针对N7004A,可以直接和V/Z/90000X/Q及UXR 33GHz带宽以下产品直接连接使用:

图6 N7004A直接与V/Z/UXR 33GHz以下型号直接连接

N7005A则推荐与UXR 40GHz系列以上使用,如下图:

图7 N7005A与UXR 40GHz以上型号连接示意图

在 UXR示波器 40 GHz以上频段探头连接端口,左边是探头供电,右边是电信号输入。N7005A方头是O/E模块与探头供电接口连接,另外一个带1.85mm的同轴输出接口是AutoProbe III接口模块则与示波器电信号输入端连接,如上图示。上图右图中红色箭头还标出了信号流程。

此外 N7005A 电信号输出和示波器电信号输入端,还需要一些适配器,比如针对1.85mm接口的85058-60114和针对1mm输入的Y1901B。

为了达到很好的测量结果,在信号分析和测量前还有哪些准备工作?

  • 清洁光纤连接器
  • 连接N7004A/5A输出到示波器
  • 需要特别注意的是,使用N7005A时,请确保先将两个模块(AutoProbe III接口模块和O / E模块)都已连接到示波器在接入光信号,以免损坏。
  • 在Infiniium软件里配置O/E探头

在Setup-->Probe Configuration菜单下可以看到探头信息:

图8 Infiniium软件里探头信息和配置

点击Options…,配置波长:

图9 配置O/E探头波长

除了标准波长之外,还支持用户自定义波长。如果选择“用户定义的波长”选项,则需要在“响应度”(Responsivity)字段中手动指定和调整“响应度”值,以调整匹配此自定义波长的N7004A / 5A的转换增益。

此外,还要在Infiniium软件中配置示波器O/E探头所用通道的带宽限制和4阶BT滤波器:

图10 配置带宽限制和设置4阶BT滤波器

以上就是主要的一些设置。

  • 暗电平校准

暗电平校准是在无光信号传输时将N7004A / 5A传输的功率滤除在外的过程。

当输入通道无光信号时,示波器会识别N7004A / 5A内部产生的偏移(暗电平)信号。去除这些内部偏移信号然后由示波器从消光比计算中删除以确保准确的测量结果。

暗电平校准在光信号测试中,至关重要。因为消光比和平均光功率等项目直接与光信号传输时的0电平值相关,而经过暗电平校准后,即可去除本身残留误差,确保得到准确的0电平信号。因此在进行暗电平校准时,一定要紧密盖住O/E模块光纤输入端口。

此外在调节示波器的垂直刻度和偏移乃至采样率等参数后都要重新进行暗电平校准,改变O/E探头的波长或响应度也需要重新进行,环境温度发生变化以及示波器重启都应当进行这一操作。

因此暗电平校准应当是进行测量前的最后一步。

此外在进行这一校准前,应当确保N7004A/5A热机15分钟以上。为了确保校准精确,确保紧密盖住O/E探头光纤输入端口。

图 11 O/E探头暗电平校准示意图

在完成设置和校准后,连接光纤信号输入,即可进行光参数测量:
图12 Infiniium软件支持的光参数测量

针对消光比测量如下定义:
图13 消光比测量定义

 

03结语

以上本文就当前面对高速光信号广泛进入数据中心服务器系统的背景下如何充分发挥实时示波器的作用,以及Keysight推出的 N7005A光电探头 和使用做了一些介绍。

随着近年来Keysight UXR系列高带宽,高采样,10bit ADC实时示波器的面世,其低本底噪声和固有抖动,配合全新的60GHz带宽光电探头N7005A,实时示波器相对采样示波器在光信号测试领域短板基本补齐,而其相对采样示波器的优势则依然稳固。因此展望未来,是德科技的实时示波器在光电结合的核心网络系统级产品的开发设计,故障调试到系统测试都将发挥更大的作用。