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神秘的TDECQ

2021-01-07 20:42:09 深圳市瑞普高電子有限公司 108

采用了 100G 標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)中心仍在向 200G / 400G 升級，升級的原因與流量的持續(xù)增長有關(guān)，未來的數(shù)據(jù)中心和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施將支持紛繁復(fù)雜的大流量應(yīng)用諸如超高清視頻流，新視頻游戲和虛擬現(xiàn)實內(nèi)容，人工智能，無人駕駛和移動5G網(wǎng)絡(luò)等功能。大數(shù)據(jù)傳輸從100G跨越到200G、400G時代時, 底層信號也從NRZ(0,1)兩電平過渡, 進(jìn)入PAM4(0, 1, 2, 3)四電平信號。近年來江湖中常常會聽到TDECQ這個拗口的詞, 顯然它與PAM4有著密不可分的關(guān)系。但是冗長的名字，復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型, 總讓它和大家有著神秘的距離感, 因此常常有小伙伴問: 傳說中的這個TDECQ，它到底是個啥?。?/span>

TDECQ

全稱是Transmitter and Dispersion Eye Closure for PAM4 (發(fā)射機(jī)色散眼圖閉合代價)，它是衡量PAM4光信號質(zhì)量的非常重要的一個參數(shù)。

名字中有眼圖，看起來好像很親切很熟悉，可是TDECQ還真跟眼圖沒啥關(guān)系。

由于IEEE802.3bs/cd規(guī)范里面對于PAM4光接口的指標(biāo)取消了模板余量（Mask margin），即我們熟悉的眼圖測試，取而代之TDECQ變成了無論生產(chǎn)還是研發(fā)都必測的一個參數(shù)。

所以究竟什么是TDECQ？

這還要從它的“前世”說起，但在開篇之前，你還是要有一個初步的概念，文中提到的TDP, TDEC和TDECQ既然是彼此的前世今生，其實實質(zhì)上還是一個東西即它們所代表的物理意義是一樣的，即兩種狀態(tài)下靈敏度的差值：理想?yún)⒖及l(fā)射機(jī)的靈敏度與被測發(fā)射機(jī)及光鏈路情況下的靈敏度差值。

TDECQ的“前世”——TDP和TDEC

為了更好的理解TDECQ的物理含義，我們要先回顧一下TDP和TDEC。

1.TDP

(Transmitter and Dispersion Penalty)

TDP 的官方稱呼和解釋是：

TDP（Transmitter and Dispersion Penalty發(fā)射機(jī)色散代價）最早出現(xiàn)于2002年發(fā)布的IEEE802.3ae中針對10GBase-SR/LR/ER的發(fā)射機(jī)指標(biāo)規(guī)范中，后續(xù)的IEEE802.3的各章節(jié)規(guī)范包括100GBase-LR4/ER4等都延用了這一參數(shù)。

那為什么標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中一直有TDP這個參數(shù)，然而大家卻很少測試它甚至都很少聽說過它呢？

簡單回答這個問題的話，你可以理解為雖然TDP從物理含義上是最能直觀反映光發(fā)射機(jī)性能如何的一個參數(shù)，但從測試角度來看進(jìn)行TDP測試的難度很大。

從NRZ信號到PAM4信號的轉(zhuǎn)變，絕不是簡單的量變，而是一個質(zhì)的變化。

因為PAM4信號格式的特點，帶來了測試參數(shù)和測試方法的巨大變革，這里不再贅述PAM4的特點和測試挑戰(zhàn)，而聚焦于一個問題：以前NRZ時代大家常用的模板余量測試，在PAM4時代還適用嗎？不適用的話又如何替代？

這不是一個那么容易的問題，即使IEEE802.3協(xié)會也花了好幾年的時間才逐漸找到了答案并還在不斷完善之中。我們無需重復(fù)過往的摸索階段，只需要跟上時代的變化，了解它的最新進(jìn)展情況即可。

首先在所有目前的公開標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中，一個共識是模板余量已經(jīng)不再適合PAM4的測試，這時候在我們面前的這座大山，繞無可繞，只能翻過去，需要用新的參數(shù)來表征發(fā)射機(jī)的性能。

這個新的參數(shù)就是TDECQ (Transmitter and Dispersion Eye Closure for PAM4) 。

1.偉大的誕生

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為什么是TDECQ?

那是因為從物理上來說，衡量一個光發(fā)射機(jī)性能的最直接的參數(shù)就是前面提到的TDP，無論是NRZ的發(fā)射機(jī)還是PAM4的發(fā)射機(jī)?？磥鞹DP還是最受標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會組織青睞的參數(shù)啊。為了以示區(qū)別，對于PAM4而言，就改名叫TDECQ了，Q是四電平Quaternary的首字母。所以TDECQ的物理含義和TDP一模一樣，就不再重復(fù)說明了。

TDECQ的計算方法呢？

顯然和前面的TDEC也是類似的。下圖7是IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)組織對于「TDECQ的測試框圖」：

圖7 IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)組織對于TDECQ的測試框圖

看起來是不是很眼熟？和TDEC的幾乎一樣。只不過：

? 對于單模信號而言，還是需要在鏈路中增加光纖以滿足損耗和色散的要求；

? 對于多模而言，就可以省去光纖了。

2.TDECQ的測試

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先回顧一下TDECQ的兩個測試前提：測試碼型和測試接收機(jī)。

IEEE802.3bs對于PAM4信號的測試碼型要求如表2：

表2 IEEE802.3bs對于PAM4信號的測試碼型要求

其中：

PRBS13Q
是由兩段PRBS13碼型進(jìn)行格雷編碼（0-00，1-01，2-11，3-10）后得到的長度為8191的四電平碼型，可用來進(jìn)行發(fā)射機(jī)的ER/OMA的測試；

PRBS31Q
同樣是由兩段PRBS31碼型進(jìn)行格雷編碼（0-00，1-01，2-11，3-10）后得到的長度為2³¹-1 的四電平碼型，注意該碼型只用來進(jìn)行PAM4系統(tǒng)靈敏度的測試；

SSPRQ (Short Stress Pattern Random Quaternary)
完全是人為構(gòu)造的新的碼型，是從傳統(tǒng)的PRBS31碼型里面選取4段對于發(fā)射機(jī)壓力比較大的碼型進(jìn)行拼接編碼而成，長度是2¹⁶-1，其好處是既可以對被測發(fā)射機(jī)施加足夠的壓力從而更加接近測試其在真實業(yè)務(wù)下的性能，又具有短碼型的特征，從而使得采樣示波器可以捕獲整個碼型進(jìn)行均衡等信號處理了。SSPRQ是進(jìn)行TDECQ測試的碼型。

對于PAM4光信號的測試（包括TDECQ等參數(shù)），IEEE802.3bs規(guī)范要求測試儀表的參考接收機(jī)必須滿足兩個要求：

a. 理想的四階貝塞爾-湯姆遜低通濾波頻響；

b. 該低通濾波頻響的3dB帶寬是被測信號符號率的一半(13.28GHz for 26.56GBaud, 26.56GHz for 53.125GBaud)。

注意：對于多模26.56GBaud PAM4光信號測試，帶寬變?yōu)?1.2GHz。

測試碼型和測試接收機(jī)確定了以后，我們繼續(xù)來看「TDECQ的測試」。

TDECQ的測試?yán)锩?，對于CDR的要求是環(huán)路帶寬4MHz, slope 20dB/dec, 1^storder, no peaking。

圖8

和NRZ不同的是，由于PAM4信號本身的復(fù)雜性，需要在信號接收端使用均衡器來張開眼圖，所以，TDECQ的測試儀表中需要均衡器(reference equalizer)，標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)規(guī)定了均衡器是5 tap/T spaced的FFE均衡器，但均衡器的具體系數(shù)則是軟件算法根據(jù)輸入的信號來確定。

在嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范測試中，是需要根據(jù)TDECQ的測試框圖搭建光鏈路進(jìn)行的，但在實際的PAM4生產(chǎn)測試中搭建如此復(fù)雜的光鏈路顯然是不切實際的，所以很多情況下人們省略了光纖鏈路而直接測試光發(fā)射機(jī)輸出信號的TDECQ。

「TDECQ的測試流程」和前面描述的TDEC是一樣的：

A 對于進(jìn)入示波器的光信號，在圖9的藍(lán)色方框區(qū)域 (0.45UI和0.55UI，每個方框?qū)挾?.04UI，為方便起見，只顯示一半) 畫直方圖，該區(qū)域也是標(biāo)準(zhǔn)中指定的測試TDECQ的區(qū)域。假設(shè)該區(qū)域內(nèi)的計算的誤符號率SER不高于規(guī)范要求的目標(biāo)誤符號率4.8e^-4。

圖9

B 利用算法給該區(qū)域內(nèi)的信號加入噪聲來引入誤碼，一直加噪聲到誤碼率達(dá)到4.8e^-4，為止，例如下圖10的紅色標(biāo)識。

圖10

C 示波器內(nèi)部根據(jù)前面輸入信號的幅度和周期構(gòu)造理想信號模型（虛擬理想發(fā)射機(jī)），并在該理想信號的相同區(qū)域用算法加入噪聲，直至誤碼率達(dá)到4.8e^-4為止，如下圖11深藍(lán)色虛線標(biāo)識。

圖11

D 最后將深藍(lán)色代表的加入噪聲和之前紅色代表的加入噪聲進(jìn)行比值，取dB單位，就得到了TDECQ，如下圖。

圖12

注意：如果被測信號（經(jīng)過均衡后）的誤符號率SER高于4.8e^-4，是不能繼續(xù)進(jìn)行TDECQ的計算的，這時候就要想辦法先提高被測信號的質(zhì)量。

從這個流程可以看出，TDECQ的計算過程是直截了當(dāng)容易理解的，并且基本都靠算法實現(xiàn)，和TDP測試項目相比，大大減少了儀表的投入和測試時間的花費(fèi)。

然而，正是由于TDECQ的測試主要依靠算法實現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)組織也在不斷的優(yōu)化算法，優(yōu)化TDECQ的測試結(jié)果，從而使得該項測試和真實PAM4系統(tǒng)環(huán)境盡量保持一致。所以，從IEEE802.3bs到IEEE802.3cd，都在算法設(shè)置層面進(jìn)行了優(yōu)化。

◆ 例如，上面藍(lán)色方框的的區(qū)域不局限于0.45UI和0.55UI，只要滿足兩個方框間隔0.1UI，各自寬度0.04UI即可（IEEE802.3bs增加的）；

◆ 又如，判斷閾值電平可以允許在理想位置的基礎(chǔ)上有1% OMA的波動區(qū)間（IEEE802.3cd增加的）。標(biāo)準(zhǔn)組織優(yōu)化TDECQ的工作并沒有停止，可能會在將來的其他規(guī)范中進(jìn)行補(bǔ)充。所以說跟上時代標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展潮流是進(jìn)行規(guī)范測試的必要條件啊。

最后上一張「TDECQ的測試方案框圖」，如圖13所示：