多速率誤碼和光功率集成檢測系統(tǒng)的研究與開發(fā)

李姍珊，全 智，盧媛媛

(1.鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院，河南鄭州 450001；2.深圳市灣泰若科技開發(fā)有限公司，廣東深圳 518000)

0 引言

光通信系統(tǒng)是支撐現(xiàn)代通信的核心系統(tǒng)之一，5G移動網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)、智能家居和智慧城市系統(tǒng)的發(fā)展和成熟，都將依賴光通信系統(tǒng)，為其提供更大的數(shù)據(jù)傳輸速率和吞吐量[1]。光模塊是光通信系統(tǒng)的核心部件，光模塊的質(zhì)量檢測是保證光通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)有效傳輸?shù)那疤?。誤碼率和光功率是檢測光模塊質(zhì)量優(yōu)劣的兩個重要指標(biāo)[2]。現(xiàn)今隨著通信技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)傳輸速率逐漸增高，相應(yīng)的誤碼測試的速率也需要不斷提升。傳統(tǒng)誤碼檢測儀檢測接口單一，檢測速率較低，不能滿足日益增長的速率檢測的需求[3]。光功率計是檢測光通信系統(tǒng)功率、衰減、損耗等技術(shù)指標(biāo)的常用儀器，也是檢測光模塊質(zhì)量的必用設(shè)備，其值是衡量光通信系統(tǒng)傳輸距離的重要參數(shù)。因此，設(shè)計了一種多速率集成檢測系統(tǒng)，它可以用單路通道實(shí)現(xiàn)10G/25G光模塊的誤碼檢測、用4路通道(ch1、ch2、ch3、ch4)實(shí)現(xiàn)40G/100G光模塊的誤碼檢測，除此之外，該檢測系統(tǒng)集成了光功率檢測功能，實(shí)現(xiàn)對光模塊的誤碼和光功率的一體化質(zhì)量檢測工作。我們也設(shè)計了人機(jī)界面系統(tǒng)，它實(shí)時監(jiān)控檢測過程中的光模塊內(nèi)部的業(yè)務(wù)狀態(tài)，并上報顯示，供測試人員方便地衡量質(zhì)量指標(biāo)。

1 總體設(shè)計架構(gòu)

多速率誤碼和光功率集成檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖如圖1所示，它主要包括核心處理器模塊、10G/25G誤碼處理模塊和40G/100G誤碼處理模塊、光功率檢測模塊、電源模塊、時鐘模塊和顯示模塊。針對要檢測多速率光模塊的需求，在硬件電路上設(shè)計了2個光模塊接口，分別是用于測量10G/25G光模塊的SFP+接口和用于測量40G/100G光模塊的QSFP28接口。

圖1 多速率誤碼和光功率集成檢測系統(tǒng)設(shè)計框圖

系統(tǒng)的核心處理器(MCU)采用基于ARMCortex-M3內(nèi)核的NXPLPC17xx系列芯片[4]，其操作頻率可達(dá)100 MHz，具有3級流水線和哈佛結(jié)構(gòu)，外設(shè)包含512 KB的flash存儲器空間、64 KB的數(shù)據(jù)存儲器空間、具備以太網(wǎng)PHY接口、USB接口及通用定時器等。MCU提供的多種通信接口和豐富的數(shù)據(jù)存儲外設(shè)空間，能充分滿足對系統(tǒng)硬件部分的控制和外部調(diào)試人員對系統(tǒng)內(nèi)部的通信控制，保證了系統(tǒng)處理的速度和精度。

在誤碼檢測模塊，采用INPHY IN012xx系列集成芯片實(shí)現(xiàn)誤碼檢測及計數(shù)功能，此芯片外部有4路高速差分收發(fā)傳輸通道，并且其具有較小的電壓擺幅特性，能有效抑制高頻信號在傳輸信道中產(chǎn)生的噪聲。此芯片還支持在誤碼檢測時人工插入誤碼，這項(xiàng)功能可以被用于驗(yàn)證誤碼計數(shù)器和誤碼檢測通道的正確性。IN012xx內(nèi)部還集成了自適應(yīng)的偽隨機(jī)序列(PRBS)生成模塊、PRBS檢測模塊、統(tǒng)計誤碼個數(shù)模塊、數(shù)據(jù)時鐘恢復(fù)(CDR)功能模塊等。

測量光功率主要采用量熱式和光電式檢測方式，相比較而言，光電式檢測方式具有更好的線性特性、響應(yīng)度高、噪聲低、成本低[5]，故選擇光電式方式檢測光功率。在此基礎(chǔ)上，選擇具有大動態(tài)波長響應(yīng)范圍的InGaAs[6]材料作為光電檢測材料，保證光功率檢測實(shí)現(xiàn)較快的響應(yīng)速度和較高的靈敏度。

為保證高速信號完整性，本系統(tǒng)的輸入輸出接口均采用CML(current mode logic)接口，其單端輸入輸出阻抗均為50 Ω，與高速電路中單端高速線的特征阻抗相匹配[7]，并且其內(nèi)部提供上拉電阻，在PCB設(shè)計時，只要做合理的差分線阻抗設(shè)計，便可以完成阻抗匹配，使用簡便。

2 系統(tǒng)檢測原理及電路設(shè)計

2.1 誤碼檢測

該系統(tǒng)誤碼檢測單通道原理框圖如圖2所示。在光信號接收端和發(fā)送端，均有Serdes(串行器-解串行器)進(jìn)行處理，Serdes內(nèi)部集成了均衡功能、加重功能、CDR功能和串并轉(zhuǎn)換功能等，可以對系統(tǒng)傳輸?shù)母咚傩盘栠M(jìn)行持續(xù)優(yōu)化，降低信號在傳輸中的損耗，有效降低系統(tǒng)誤碼率。

圖2 誤碼檢測單通道原理框圖

如圖2所示，在誤碼檢測系統(tǒng)的接收端，光模塊發(fā)送出的光信號，送入Serdes Rx進(jìn)行處理，在Serdes Rx中光信號首先經(jīng)過去抖動處理，改善經(jīng)信道傳輸后的高頻信號分量，接下來利用CDR功能從接收數(shù)據(jù)的邊沿信息中提取同步參考時鐘信號(Rxclk)，用來恢復(fù)原數(shù)據(jù)序列，并將恢復(fù)的數(shù)據(jù)序列進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換處理[7]。在Rxclk同步參考時鐘的作用下，搜索恢復(fù)的數(shù)據(jù)序列與本地PRBS數(shù)據(jù)序列同步對齊碼的位置，經(jīng)過多次在同一位置找到對齊碼后，捕獲同步信號，對數(shù)據(jù)序列進(jìn)行鎖定，開始PRBS檢測和誤碼計數(shù)，在比對兩序列之后，錯誤碼字的個數(shù)計入誤碼寄存器中?？刂葡到y(tǒng)對此寄存器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、處理，計算得到誤碼率。

在發(fā)送端，系統(tǒng)有PRBS7/9/15/31及Square wave5種測試碼型可選，控制系統(tǒng)接收用戶設(shè)定的碼型參數(shù)，控制PRBS生成器，生成相應(yīng)的本地并行PRBS數(shù)據(jù)序列，在SerdesTx中將生成的本地并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)，并對信號進(jìn)行加重處理，優(yōu)化高頻信號分量，實(shí)現(xiàn)誤碼檢測單通道輸出10～25 Gbit/s的信號速率。

設(shè)計的系統(tǒng)有2路檢測，一路實(shí)現(xiàn)10G/25G光模塊誤碼檢測，另一路實(shí)現(xiàn)40G/100G光模塊誤碼檢測。10G/25G檢測模塊由1個通道構(gòu)成，40G/100G檢測模塊由4個通道構(gòu)成，2路模塊共同實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)多速率誤碼檢測的功能，具體通路設(shè)計分布如圖3所示。

圖3 誤碼檢測通道設(shè)計框圖

2.2 光功率檢測

在光功率檢測模塊中，被測光模塊發(fā)送的光信號，經(jīng)過光電探測，轉(zhuǎn)換為微弱電流信號，經(jīng)前置低噪聲信號放大器的放大和濾波電路的處理后，在16位逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器中進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換[8]，MCU獲取轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)信號，在本地參考時鐘信號的作用下，對數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、處理、修正，得到準(zhǔn)確的光功率值。

光功率檢測原理圖如圖4所示。設(shè)計中光電二極管采用反向偏置電壓的工作模式，在此種工作模式下，系統(tǒng)不存在暗電流，且具有良好的線性度，適用于微弱、高頻光信號的探測。

圖4 光功率檢測原理圖

考慮到經(jīng)PIN光電二極管檢測輸出的是微弱電流信號，需要經(jīng)過前置放大器對信號進(jìn)行放大處理后才能參與后續(xù)處理。因此，選用低噪聲、低功耗LMV932系列作為微弱信號的前置放大器，其可對低電平信號進(jìn)行精密放大，它具有線性增益好、失調(diào)電壓小的特點(diǎn)，能在1.8 V電源電壓下實(shí)現(xiàn)1.4 MHz的增益帶寬。圖4中反饋電阻R59和并聯(lián)電容C7設(shè)計組成的濾波回路，能有效避免高增益情況下的自振蕩現(xiàn)象，保證系統(tǒng)信號的穩(wěn)定傳輸。

2.3 電源設(shè)計

本系統(tǒng)誤碼檢測電路和光功率檢測電路的正常工作，需要多路滿足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的低電壓供給，而直接從電源獲取的電壓較大，因此，需要對高電壓進(jìn)行降壓處理。選用同步壓降TPS621xx電源芯片為系統(tǒng)各部分供電。該器件的運(yùn)行電壓范圍為3～17 V，支持高達(dá)3 A的持續(xù)輸出電流，能有效避免電壓紋波和隨機(jī)抖動的增加，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓輸出，滿足系統(tǒng)供電需求[9]。

根據(jù)實(shí)際用電情況，設(shè)計了5種供電電壓，以保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，分別是9、5、3.3、2.5、1.8 V，電源分壓及主要供電去向如圖5所示。

圖5 電源系統(tǒng)分壓示意圖

圖6為系統(tǒng)3.3 V轉(zhuǎn)2.5 V的電源轉(zhuǎn)壓原理圖。圖中，3.3 V電壓主要為MCU及其周邊元器件、時鐘分配系統(tǒng)供電，2.5 V主要為芯片的接收通道供電，該電壓轉(zhuǎn)換芯片采用基于DCS-ControlTM(直接控制)的拓?fù)浼夹g(shù)，對低壓差轉(zhuǎn)換，有較快的響應(yīng)速度。

圖6 3.3 V轉(zhuǎn)2.5 V電路原理圖

2.4 時鐘電路

對于高速測試系統(tǒng)而言，保證時鐘的穩(wěn)定性是關(guān)鍵。圖7為系統(tǒng)時鐘電路原理圖，本系統(tǒng)時鐘電路由固定12.44 MHz晶振、低噪聲集成數(shù)字鎖相環(huán)芯片(DPLL)及其周圍的上下拉電阻、電容組成。通過運(yùn)用數(shù)字頻率合成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)輸出多頻點(diǎn)連續(xù)可調(diào)的寬帶時鐘信號，作為系統(tǒng)多速率誤碼和光功率檢測以及系統(tǒng)觸發(fā)信號的參考時鐘源。

圖7 時鐘系統(tǒng)電路圖

3 軟件設(shè)計

通過VS2015平臺，采用Csharp語言對光模塊標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議[10]進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，獲取光模塊檢測過程中的數(shù)據(jù)信息、告警信息，定義各項(xiàng)使能設(shè)置等[11]。圖8為系統(tǒng)軟件設(shè)計框圖，系統(tǒng)上電后，所有設(shè)置恢復(fù)初始化狀態(tài)，系統(tǒng)自動檢測模塊是否在位，人機(jī)界面顯示模塊狀態(tài)信息，此時可配置系統(tǒng)的低、高功耗模式等，通過選擇不同檢測功能按鍵，系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)的檢測功能。

圖8 系統(tǒng)軟件設(shè)計框圖

誤碼檢測如圖8左分支所示，在Lock鎖定狀態(tài)下，MCU通過I2C端口驅(qū)動誤碼芯片，使其產(chǎn)生PRBS數(shù)據(jù)序列，數(shù)據(jù)序列經(jīng)過在被測光模塊信道環(huán)回之后，被誤碼接收檢測模塊接收并進(jìn)行誤碼檢測處理，人機(jī)界面實(shí)時顯示各檢測通道的誤碼數(shù)、誤碼率、光功率值及其告警信息等。光功率檢測如圖8右分支所示，在參考時鐘信號在位的狀態(tài)下，通過選擇合適的波長和測量單位，系統(tǒng)開始光功率檢測，MCU對轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號進(jìn)行處理，并由人機(jī)界面顯示光功率值。

4 系統(tǒng)性能測試

4.1 誤碼檢測性能測試

為使測試盡可能真實(shí)地模擬實(shí)際傳輸狀態(tài)，選用PRBS31碼型進(jìn)行誤碼測試[12]。實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計為：本系統(tǒng)誤碼測試儀與OTN 603誤碼測試儀通過光纖連接支持同一速率的光模塊，通過在兩臺設(shè)備間進(jìn)行環(huán)回測試，驗(yàn)證誤碼檢測性能，測試框圖如圖9所示。

圖9 誤碼準(zhǔn)確性驗(yàn)證環(huán)回測試框圖

在性能測試中，讓2臺測試設(shè)備分別作為接收端，對得到的2組測試數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，表1、表2分別表示以本系統(tǒng)誤碼測試儀和以O(shè)TN603誤碼測試儀作為接收端檢測得到的數(shù)據(jù)。

表1 環(huán)回測試中本系統(tǒng)誤碼儀檢測的誤碼率

表2 環(huán)回測試中OTN603誤碼儀檢測的誤碼率

通過表1、表2數(shù)據(jù)對比相同速率光模塊對應(yīng)信道的誤碼率可以看出：2臺測試設(shè)備誤碼檢測性能表現(xiàn)一致，表明在環(huán)回測試中，2臺設(shè)備實(shí)現(xiàn)了對通檢測，即本系統(tǒng)誤碼檢測儀與OTN603具有相同的誤碼檢測性能，能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、可靠的誤碼檢測功能。

現(xiàn)對人工插入誤碼功能進(jìn)行驗(yàn)證。此次測試選用100 Gbit/s光模塊作為測試對象。測試分為2個階段(未插入誤碼階段和插入誤碼階段)，分別觀察其誤碼率和總比特數(shù)的變化，測試數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 人工插入誤碼功能驗(yàn)證數(shù)據(jù)

由表3可以看出，在傳輸9.75E+11個比特時，光模塊沒有誤碼生成。隨后選擇CH1、CH2、CH3信道各插入一個誤碼，CH4信道沒有插入誤碼，此時4個信道的總比特數(shù)仍然相同，都為3.21E+12，但是CH1、CH2、CH3的誤碼率是3.11E-13，CH4的誤碼率保持不變，仍是0.00E+00。此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，人工插入誤碼功能滿足設(shè)計要求，表現(xiàn)出較好的性能。在實(shí)際測試時，等間距插入誤碼，還可以使誤碼具有隨機(jī)分布特性。

4.2 光功率性能測試

用本系統(tǒng)光功率計與市面上認(rèn)可度較高的JDSU OPL5.5光功率計做對比測試，驗(yàn)證本系統(tǒng)光功率計的準(zhǔn)確性。此次實(shí)驗(yàn)選用4個典型速率(10、25、40、100 Gbit/s)，光模塊統(tǒng)一選用單模、波長為1 310 nm，測量數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 本系統(tǒng)與JDSU OPL5.5測量的光功率數(shù)據(jù)

通過表4對4個速率的光模塊測得的光功率數(shù)據(jù)的對比，可以得到：該系統(tǒng)光功率計與JDSU OPL5.5光功率計測得的光功率值基本一致，表明本系統(tǒng)能對光模塊進(jìn)行準(zhǔn)確的光功率測量，性能穩(wěn)定，達(dá)到預(yù)期設(shè)計要求。

5 結(jié)束語

設(shè)計的多速率誤碼和光功率集成檢測系統(tǒng)基于單、四通道收發(fā)傳輸原理實(shí)現(xiàn)對10G/25G/40G/100G光模塊的誤碼檢測，選用InGaAs材料做光電探測器使光功率測量實(shí)現(xiàn)較快的響應(yīng)速度，16位逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)光功率測量精度達(dá)0.01 dBm。實(shí)際性能測試表明：該集成檢測系統(tǒng)性能穩(wěn)定、準(zhǔn)確、響應(yīng)速度快，并且具有便捷的可視化界面，可以滿足現(xiàn)今市場上對高速光模塊一體化質(zhì)量檢測的要求，可以為日益發(fā)展的高速光通信系統(tǒng)提供可靠的質(zhì)量檢測。