實(shí)時(shí)示波器在新一代光接口時(shí)域測(cè)試上的應(yīng)用

前言：談到光接口的時(shí)域指標(biāo)測(cè)試，工程師言必稱(chēng)采樣示波器（sampling scope）。因?yàn)椴蓸邮静ㄆ鲹碛胁豢杀葦M的信號(hào)完整性方面的優(yōu)勢(shì)：帶寬高、噪聲低、量化誤差小（垂直分辨率高），美中不足是需要同步觸發(fā)時(shí)鐘，以至于光工程師都漸漸遺忘了實(shí)時(shí)示波器（real-time scope）。

挑戰(zhàn)：長(zhǎng)久以來(lái)，工程師們?cè)谶M(jìn)行光接口測(cè)試（尤其是光模塊測(cè)試）時(shí)都不擔(dān)心同步觸發(fā)時(shí)鐘，要么從碼型發(fā)生器（Pattern Generator）引過(guò)來(lái)、要么使用時(shí)鐘恢復(fù)單元（Clock Recovery）從被測(cè)信號(hào)上恢復(fù)時(shí)鐘。前者在生產(chǎn)測(cè)試上是極具成本優(yōu)勢(shì)的，后者多用于研發(fā)，追求極致的測(cè)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(gè)信號(hào)通路上都加入了re-timer單元，也就是說(shuō)同一個(gè)光接口（光模塊）中的不同路信號(hào)其實(shí)是不同源的。也就是說(shuō)來(lái)自于碼型發(fā)生器（Pattern Generator）的同步時(shí)鐘和信號(hào)已經(jīng)未必同步了，這一點(diǎn)在當(dāng)前的PAM4光模塊測(cè)試上尤其明顯。經(jīng)過(guò)實(shí)際對(duì)比測(cè)試發(fā)現(xiàn)，使用時(shí)鐘恢復(fù)單元（Clock Recovery）進(jìn)行測(cè)試時(shí)結(jié)果要比使用碼型發(fā)生器（Pattern Generator）同步時(shí)鐘作為觸發(fā)更加好。不過(guò)，當(dāng)工程師需要進(jìn)行更高速度的測(cè)試時(shí)，時(shí)鐘恢復(fù)設(shè)備的價(jià)格就會(huì)非常高，大大增加測(cè)試成本。

圖一：一個(gè)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(shí)時(shí)示波器的天生優(yōu)勢(shì)：在捕獲信號(hào)的時(shí)候?qū)崟r(shí)示波器使用內(nèi)部時(shí)基，無(wú)需外部的同步觸發(fā)時(shí)鐘。但是實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)示波器發(fā)生了翻天覆地的變化，帶寬不再是問(wèn)題、噪聲越來(lái)越低，而且最重要的是配合實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)示波器來(lái)進(jìn)行新一代光接口的測(cè)試了。

實(shí)時(shí)示波器+光探頭的組合完全無(wú)需考慮外部的同步觸發(fā)信號(hào)，直接完成信號(hào)的捕獲。而時(shí)鐘恢復(fù)用軟件實(shí)現(xiàn)，鎖相環(huán)帶寬更加精準(zhǔn)，也更加彈性（在研發(fā)場(chǎng)合可以任意的設(shè)置鎖相環(huán)帶寬）。而且測(cè)試連接及其簡(jiǎn)單，只需一根光纖而無(wú)需任何的電纜。

圖二：全新的實(shí)時(shí)光接口測(cè)試方案

圖三：實(shí)時(shí)分析軟件的簡(jiǎn)潔配置界面

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

圖四：除了IEEE要求的一致性測(cè)試項(xiàng)目之外，更支持眾多研發(fā)分析類(lèi)項(xiàng)目

圖五：誤碼檢測(cè)與定位

測(cè)試結(jié)果對(duì)比：測(cè)試結(jié)果非常一致。

圖六：使用實(shí)時(shí)示波器的53GBd PAM4測(cè)試結(jié)果

圖七：使用采樣示波器的PAM4測(cè)試結(jié)果

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

實(shí)時(shí)Vs取樣 ：優(yōu)孰劣？

實(shí)時(shí)示波器方案采樣示波器方案

波形捕獲速度快，毫秒級(jí)慢，秒級(jí)

外部觸發(fā)時(shí)鐘不需要需要

時(shí)鐘恢復(fù)鎖相環(huán)帶寬軟件實(shí)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(dòng)底噪100fs級(jí)400fs級(jí)

實(shí)時(shí)Vs取樣：哪個(gè)測(cè)試結(jié)果更真實(shí)？或者說(shuō)更能反映一個(gè)真實(shí)接收機(jī)的接收效果？這是每個(gè)工程師都非常關(guān)心的問(wèn)題。

實(shí)際接收機(jī)

實(shí)時(shí)示波器

采樣示波器

信號(hào)采集

連續(xù)

連續(xù)

間隔

時(shí)鐘恢復(fù)

硬件

軟件

硬件

信號(hào)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(duì)低頻抖動(dòng)的敏感度

不敏感

不敏感

不敏感

對(duì)高頻抖動(dòng)的敏感度

敏感

敏感

敏感

覺(jué)得實(shí)時(shí)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(jué)得實(shí)時(shí)方案好的主要基于觸發(fā)抖動(dòng)以及更精準(zhǔn)的時(shí)鐘恢復(fù)設(shè)定。

不過(guò)泰克全新的ATI示波器采用 異步時(shí)序交織結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了 70 GHz和 200 GS/s（5 ps/樣點(diǎn)）實(shí)時(shí)采集性能。這種已獲專(zhuān)利的對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)本身的噪聲要遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(dòng)分析。 結(jié)果顯示干凈的眼圖，隨機(jī)抖動(dòng)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(jìn)行復(fù)雜的光調(diào)制分析，對(duì)高速串行信令和頻率進(jìn)行抖動(dòng)和噪聲分析，對(duì)寬帶 RF 信號(hào)進(jìn)行相位和調(diào)制分析。比如最近長(zhǎng)春光機(jī)所中德綠色光子學(xué)研究中心，采用泰克的ATI示波器進(jìn)行“低能耗VECSEL 200+ Gbps 光互聯(lián)”研究，

下圖來(lái)自Gunter Larisch 論文《Energy-efficient VCSELs for 200+ Gb/s optical interconnects》

圖八：實(shí)時(shí)示波器幫助低成本低功耗50GBps激光器件的研究

文中使用實(shí)時(shí)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(guò)了2米長(zhǎng)的OM5多模光纖的傳輸。出色的信號(hào)完整性以及靈活而全面的抖動(dòng)分析功能是Larisch博士選擇實(shí)時(shí)示波器的原因。