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电色散补偿在SFP+应用中的关键作用
作者: 发布时间:2009-07-07 04:58:46 来源:《光波通信》2009年6/7月

与X2和XFP LRM模块相比,SFP+模块更具挑战性。为了达到与X2和XFP相近的性能,SFP+ LRM模块必须具备预加重线性接收功能,并采用传输距离达到300米的外置电色散补偿(EDC)。

Ahmet Balcioglu,Vitesse Semiconductor Corp.

在过去10年间,用于10Gbps的光收发模块标准经历了从300pin多源协议(MSA)、XENPAK、XPAK、X2到XFP的数代发展,演化出了今天的小型可插拔SFP+模块。这种模块通过取消内置定时器,实现了端口密度的增加。而事实上如图1所示,定时器与时钟恢复电路(CDR)和电色散补偿器(EDC)只是被一同集成到了主板的ASIC中。而在接收路径上将SFP+模块和线路主板分离的方式会增加物理连接和传输距离,进而极大地损伤信号质量,因此SFP+对EDC的性能提出了更高要求。

目前,用于10Gbps CDR的媒体接入控制(MAC)和开关功能已经问世。在ASIC中集成高速串行I/O可以减少管脚数量,降低器件安装成本。根据具体的线路主板设计方案,采用FR4的印刷电路板连接线长度甚至会超过8英寸,同时还要满足SFF-8431工业标准。该标准规定了SFP+短程(SR)、长程(LR)和长程多模(LRM)模块、直连电缆和主板的电特性。由于此类器件无法保证与10Gbps I/O标准完全兼容,因此必须在ASIC电路中增加与SFP+模块桥接的专用信号调节器。

本文将探讨在为10G以太网(10GbE)LRM、SR和LR应用开发SFP+系统过程中所遇到的技术问题,以及设计师为满足实际系统链路冗余而必须考虑的关键因素。文中涉及的数据都来自于对一套SFP+评估系统的实际测试。

pE3光波通信
SFP+/EDC主板实例。

SFP+/EDC要求pE3光波通信
SFP+的设计目的是支持10GbE SR、LR、LRM和铜缆直连数据通信业务。其中用于SR和LR的SFP+模块属于有限接收路径,而LRM和铜缆直连模块属于线性接收路径。SFP+ LRM模块根据IEEE 802.3aq 10GBase-LRM协议在FDDI多模光纤(MMF)上传输时,其传输距离可达220米。目前已部署的光纤中99%都属于这种类型,因此必须均衡它产生的模式色散。除此之外因SFP+专用连接器和FR4最长8英寸的铜连接线所产生的信号衰减和反射也必须得到处理。

具备先进EDC功能的CDR器件可以解决以上问题。其中EDC可以采用不同的均衡技术实现。将前馈均衡与判定反馈均衡(FFE/DFE)组合,再配合最大似然序列估计算法(MLSE)是目前最常用的方法。

除了均衡算法外,设计重复性高、稳定可靠的EDC自适应算法也很重要,这其中又以设计与实际误码率测试(BERT)相关的误码信道更为重要。在系统设计师看来,一个成功的EDC自适应算法必须能够覆盖-10dBm到+2dBm的输入光功率,同时还不能降低链路冗余性能。

LRM应激器及其特性pE3光波通信
我们设计了一块SFP+评估板,用以测试IEEE 802.3aq标准定义的LRM应激器(前置、后置和对称)特性。这种LRM应激器可以模拟最少220米长的低级MMF的传输特性。

在所有的LRM应激器中,分路对称应激器将光能量分为两路,实现起来比较困难。分路对称应激器要求EDC设计更加灵活。参考文献1说明了在2、4和8英寸带状线中,SFP+评估板的信道特性与信号前向和反射参数(即SD11和SD21参数)的关系。

评估板上设置了一个预加重等于3.4dB的线性ROSA,以实现光信号到电信号的转换。然后测量波形色散产生的损耗(WDP)和LRM应激器的脉冲响应。其中的前置、后置和对称应激器由一个Circadiant Hydra Stress Generator激励产生器提供,符合IEEE 802.3aq规范。为了测试电域特性,信号在进入模块主板前就完成校准。

表1所示为对称应激器在光域和电域的WDP测量值和delta WDP计算值。根据表中所示,由SFP+连接器和FR4铜连接线引起的畸变由delta WDP(dWDP)定义。其含义是测试点的WDP值与校准基准值的差。

WDP测量数据显示,信号畸变主要是由SFP+连接器引起的,其影响约大于0.5dB。而因FR4铜连接线引起的畸变大致也是0.5dB。如果对线性跨阻放大器(TIA)的输出进行预加重,则可以在模块与板卡连接(B2B)处产生负畸变,从而降低光域的总畸变。如果线性接收器没有预加重,则会产生与理想电WDP相关的畸变,如表1所示。

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表1 分路对称应激器WDP(dB)和dWDP(dB)对比。

除了分析WDP数据外,我们还需要考虑脉冲响应。如图2所示,SFP+连接器和FR4 PCB的带状线会显著降低信道的脉冲响应特性。图2a显示,单字节长的电信号在通过分路对称应激器后,其时长会扩展到原来的5倍,而图2b显示光域中的脉冲扩展并不明显。另外,脉冲响应的形状在光域改变不大,但在电域却产生了变化。

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对称应激器在电域(a)和光域(b)的脉冲响应。

在电域和光域,FR4连接线对脉冲响应的影响都没有SFP+连接器大。预加重的影响约介于4到6UI之间,而线性ROSA的反射影响约为6到7UI。

由此可见,WDP劣化和单字节扩展的程度都超出了规范的要求,这时就必须引入EDC技术以均衡应激器的影响,而且均衡距离必须大于220米,并尽可能达到FDDI级MMF的300米。这种EDC技术通过预加重线性模块接收机的输出以降低SFP+连接器的影响,并最终建立适应实际系统需求的可靠光链路。

测试结果与分析pE3光波通信
改变光调制放大(OMA)灵敏度是一种常用的光链路性能改善方法。实验分别测量了B2B、2、4和8英寸FR4 SFI信道情况下,采用预加重线性接收时LRM应激器的OMA灵敏度。图3所示为典型SFP+ LRM模块测试系统的框图。

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OMA测试系统的连接框图。

图4a给出了在最坏SFI信道下,对称应激器的典型误码率与OMA的关系。而图4b所示为误码率等于1.0E-12时,B2B、2、4和8英寸FR4情况下分路对称应激器的OMA灵敏度与WDP的关系。此处可以发现,OMA的劣化与信道的WDP是呈线性关系的,这表示EDC只是补偿了一部分信号畸变。尽管EDC不能完全补偿由接口不完全匹配所产生的畸变,但最坏信道情况下测得的OMA灵敏度还是很好的满足了要求。图4b证明,最坏SFP+模块信号的性能冗余至少要比X2和XFP LRM模块小1.0dB。

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分路对称应激器的典型BER与OMA(a)和OMA灵敏度与WDP(b)的关系图。

由于SFP+信道会产生附加的WDP畸变,而且与FR4的不匹配还会带来脉冲扩展,这导致SFP+信道特性劣于X2和XFP LRM模块。尽管采用预加重线性输出可以降低WDP畸变和脉冲扩展,但它们并不能被完全补偿。因此有必要采用一种自适应的最优化方法处理剩余的WDP畸变和脉冲扩展。

在SFP+ SR和LR应用中,系统设计师对EDC的一个关键要求是其不能降低链路性能。SFP+ SR和LR模块的特性不同,因此需要采用自适应均衡。而在多制造商互操作测试中,由不同制造商生产的发射器和接收器组合而成的SFP+ SR和LR模块,其性能可能会超出SFF-8431规范的要求,降低链路性能并产生无法接受的BER。

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总之,在SR和LR应用中采用具备自适应算法的EDC,可以补偿由SFP+连接器和铜线损耗引起的畸变,从而在不需要用户介入的情况下提供稳定可靠的链路。而且EDC的这种自适应能力还能提高系统对不同制造商生产的不同模块的容忍程度。

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EDC
的关键作用

本文研究了在最坏情况下实际SFP+信道系统的特性。研究结果显示SFP+的信道特性与X2XFP LRM等模块相比非常不同。其链路性能的最主要限制来自于连接器。

pE3光波通信
预加重TIA输出可以降低WDP畸变和LRM应激器的脉冲响应扩展,从而减少连接器的不利影响。除了改进SFP+连接器和预加重线性接收输出外,采用一种先进的EDC自适应算法还可以补偿220米LRM应激器的影响,以及SFP+模块与PCB带状线连接引起的损耗。这其中最关键的技术是EDC。它可以满足实际100GbE交换和路由应用对SFP+ SR、LR和LRM模块的性能要求。

  
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