實時示波器在新一代光接口時域測試上的應(yīng)用

前言：談到光接口的時域指標測試，工程師言必稱采樣示波器（sampling scope）。因為采樣示波器擁有不可比擬的信號完整性方面的優(yōu)勢：帶寬高、噪聲低、量化誤差?。ù怪狈直媛矢撸?，美中不足是需要同步觸發(fā)時鐘，以至于光工程師都漸漸遺忘了實時示波器（real-time scope）。

挑戰(zhàn)：長久以來，工程師們在進行光接口測試（尤其是光模塊測試）時都不擔(dān)心同步觸發(fā)時鐘，要么從碼型發(fā)生器（Pattern Generator）引過來、要么使用時鐘恢復(fù)單元（Clock Recovery）從被測信號上恢復(fù)時鐘。前者在生產(chǎn)測試上是極具成本優(yōu)勢的，后者多用于研發(fā)，追求極致的測試效果。但是隨著光接口速度的不斷提升，尤其是25GBps以上的多路光接口。每個信號通路上都加入了re-timer單元，也就是說同一個光接口（光模塊）中的不同路信號其實是不同源的。也就是說來自于碼型發(fā)生器（Pattern Generator）的同步時鐘和信號已經(jīng)未必同步了，這一點在當(dāng)前的PAM4光模塊測試上尤其明顯。經(jīng)過實際對比測試發(fā)現(xiàn)，使用時鐘恢復(fù)單元（Clock Recovery）進行測試時結(jié)果要比使用碼型發(fā)生器（Pattern Generator）同步時鐘作為觸發(fā)更加好。不過，當(dāng)工程師需要進行更高速度的測試時，時鐘恢復(fù)設(shè)備的價格就會非常高，大大增加測試成本。

圖一：一個典型的多路25GBps光收發(fā)器，每一路都有retimer

新的嘗試：總所周知，采樣示波器的不便之處正是實時示波器的天生優(yōu)勢：在捕獲信號的時候?qū)崟r示波器使用內(nèi)部時基，無需外部的同步觸發(fā)時鐘。但是實時示波器給人的印象總是：帶寬低、噪聲高、量化誤差大。還有更要命的是：只支持電輸入。所幸的是隨著技術(shù)的不斷革新，實時示波器發(fā)生了翻天覆地的變化，帶寬不再是問題、噪聲越來越低，而且最重要的是配合實時示波器的高帶寬光探頭出現(xiàn)了。于是，工程師們可以嘗試使用高性能實時示波器來進行新一代光接口的測試了。

實時示波器+光探頭的組合完全無需考慮外部的同步觸發(fā)信號，直接完成信號的捕獲。而時鐘恢復(fù)用軟件實現(xiàn)，鎖相環(huán)帶寬更加精準，也更加彈性（在研發(fā)場合可以任意的設(shè)置鎖相環(huán)帶寬）。而且測試連接及其簡單，只需一根光纖而無需任何的電纜。

圖二：全新的實時光接口測試方案

圖三：實時分析軟件的簡潔配置界面

完善的測試項目的支持：除了支持IEEE要求的一致性測試項目之外，更支持眾多研發(fā)測試項目：如抖動、誤碼定位以及誤碼率預(yù)估。

圖四：除了IEEE要求的一致性測試項目之外，更支持眾多研發(fā)分析類項目

圖五：誤碼檢測與定位

測試結(jié)果對比：測試結(jié)果非常一致。

圖六：使用實時示波器的53GBd PAM4測試結(jié)果

圖七：使用采樣示波器的PAM4測試結(jié)果

討論&結(jié)束語：實時示波器方案已經(jīng)嶄露頭角，無論從測試連接的便利性還是測試結(jié)果的相關(guān)性上都展示出正面的結(jié)果。

實時Vs取樣 ：優(yōu)孰劣？

實時示波器方案采樣示波器方案

波形捕獲速度快，毫秒級慢，秒級

外部觸發(fā)時鐘不需要需要

時鐘恢復(fù)鎖相環(huán)帶寬軟件實現(xiàn)，設(shè)置靈活硬件CDR，設(shè)置范圍有限制

垂直軸分辨率8bit14bit

低噪聲稍高低

觸發(fā)系統(tǒng)抖動底噪100fs級400fs級

實時Vs取樣：哪個測試結(jié)果更真實？或者說更能反映一個真實接收機的接收效果？這是每個工程師都非常關(guān)心的問題。

實際接收機

實時示波器

采樣示波器

信號采集

連續(xù)

連續(xù)

間隔

時鐘恢復(fù)

硬件

軟件

硬件

信號采集

單次

單次

重復(fù)

幅度漂移的敏感度

不敏感

不敏感

敏感

對低頻抖動的敏感度

不敏感

不敏感

不敏感

對高頻抖動的敏感度

敏感

敏感

敏感

覺得實時方案不靠譜的基本上都是擔(dān)心示波器的垂直分辨率以及底噪聲。覺得實時方案好的主要基于觸發(fā)抖動以及更精準的時鐘恢復(fù)設(shè)定。

不過泰克全新的ATI示波器采用 異步時序交織結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了 70 GHz和 200 GS/s（5 ps/樣點）實時采集性能。這種已獲專利的對稱結(jié)構(gòu)本身的噪聲要遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)帶寬交織方法。DPO70000SX 提供了最低的噪聲、最高的保真度和最大的性能。圖中顯示了應(yīng)用到ATI 輸入的60 GHz 正弦波抖動分析。 結(jié)果顯示干凈的眼圖，隨機抖動RJ 《80 fsRMS

正式基于泰克ATI示波器的高性能，ATI示波器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于進行復(fù)雜的光調(diào)制分析，對高速串行信令和頻率進行抖動和噪聲分析，對寬帶 RF 信號進行相位和調(diào)制分析。比如最近長春光機所中德綠色光子學(xué)研究中心，采用泰克的ATI示波器進行“低能耗VECSEL 200+ Gbps 光互聯(lián)”研究，

下圖來自Gunter Larisch 論文《Energy-efficient VCSELs for 200+ Gb/s optical interconnects》

圖八：實時示波器幫助低成本低功耗50GBps激光器件的研究

文中使用實時示波器用于多模低成本、低功耗激光器件的研究。從圖中的DUT速率為50GBps且經(jīng)過了2米長的OM5多模光纖的傳輸。出色的信號完整性以及靈活而全面的抖動分析功能是Larisch博士選擇實時示波器的原因。