10 Gbit/s SFP+光模塊測試平臺設(shè)計與優(yōu)化

周 揚，熊俊俏

(武漢工程大學 電氣信息學院，湖北 武漢 430205)

隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)傳輸容量的不斷提高，光纖通信已經(jīng)是當前主要的通信方式之一。光模塊作為光通信網(wǎng)中的核心器件其作用不可小覷，它常被用作交換機與設(shè)備之間進行傳輸?shù)妮d體，相較于一般的收發(fā)器，其效率和安全性方面都可以得到更好的保證。但是在光模塊的種類和速率日益更新的今天，其測試過程也變得復雜。因此，有必要對光模塊的測試方法進行改進，從而進一步提高測試效率。

近年來，有許多學者針對測試的不同方面提出了改進的方法。文獻[1]提出了基于RapidIO協(xié)議的通信方案，通過光模塊完成光電轉(zhuǎn)換并成功應用于實體場景中。文獻[2]則提出了一種多速率的綜合誤碼測試方法，采用模塊分段覆蓋的方式來達到測試不同速率的目的。在10 Gbit/s的網(wǎng)絡(luò)傳輸中，SFP+模塊因其成本低、體積小、傳輸容量大等優(yōu)點，已經(jīng)成為了市場主力軍。

以SFP+光模塊為例，采用一種四通道測試平臺的方式進行測試。首先，通過電路設(shè)計保證了PC上位機和下位控制器之間的直接數(shù)據(jù)輸入輸出，提出了電壓轉(zhuǎn)換的設(shè)計方案來適配標準模塊。其次，利用最小二乘法將光功率與誤碼率進行線性擬合，從而得到模塊靈敏度的過程，通過觀察眼圖波形判斷是否有噪聲干擾。最后，在測試數(shù)據(jù)方面，改進后的方法支持多種可調(diào)的測試速率，在高低溫和正常溫度下的測試結(jié)果都保持穩(wěn)定，證明了其效果良好。

1 測試平臺的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

光模塊測試平臺主要由誤碼儀、光衰減器、多通道系統(tǒng)通信板、測試板和眼圖儀等器件搭建而成。選擇1310發(fā)/1510收模塊進行測試，測試板采用并口模擬的方式與計算機連接，主要用來實現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換，并且測試板與被測模塊通過I2C總線進行控制。誤碼儀與計算機之間的正常通信是通過RS232接口[3-4]或USB接口充當媒介進行的。在發(fā)送端使用多模的光開關(guān)和光衰減器，結(jié)合波分復用器來完成不同波長光的同時傳輸[5]。計算機作為測試的主控設(shè)備，要兼顧完成數(shù)據(jù)的處理和儀器的協(xié)調(diào)使用，其具體功能是通過并口模擬I2C的方式來發(fā)送指令，完成數(shù)字診斷所需的數(shù)據(jù)采集，從而進一步對數(shù)據(jù)分析和調(diào)整。最后用GPIB控制器[6]分析眼圖儀運行情況并讀取數(shù)據(jù)，獲得眼圖信息。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

2 多通道測試板設(shè)計

2.1 通信協(xié)議I2C

I2C(Inter-Integrated Circuit)為內(nèi)部整合電路的稱呼，也是一種串行的通信總線。I2C協(xié)議為兩線接口，即在串行數(shù)據(jù)(Serial Data,SDA)和串行時鐘(Serial Clock,SCL)線與總線的設(shè)備之間傳輸信息，具體方式為當SCL處于高電平時，SDA從高電平向低電平跳變移動，傳輸數(shù)據(jù)由此開始，而當SCL處于高電平，SDA由低電平向高電平跳變移動時，結(jié)束數(shù)據(jù)傳輸[7-8]。I2C接口內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 I2C接口內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2.2 USB轉(zhuǎn)I2C設(shè)計

本次USB轉(zhuǎn)I2C設(shè)計所采用的芯片為CH341T[9]，如圖3所示。U3是USB端口，其總線主要涵蓋的是5 V電源線以及數(shù)據(jù)信號線，CH341T芯片和一些功耗不高的產(chǎn)品(例如一些常見的電流傳輸控制器)能夠運用總線提供的5 V電源。圖3中，C7為0.1 μF的高頻電容，其主要功能是外部電源的退耦；X1的頻率為12 MHz；C5和C6為15～30 pF的高頻電容器。時鐘振蕩電路主要由C5、C6和晶振X1共同構(gòu)成。ACT#引腳用來完成USB配置的狀態(tài)輸出。當沒有配置時，輸出高電平，否則輸出低電平。UD+和UD-引腳連接到USB總線。CH341芯片正常工作時，它要為XI管腳提供12 MHz時鐘脈沖信號。信號由反相器晶體穩(wěn)頻振蕩形成，XI和XO引腳之間有一個12 MHz晶振，最后兩個引腳應連接到地振蕩電容器。

圖3 USB轉(zhuǎn)I2C電路原理圖

2.3 電源選用和設(shè)計

SFP+光模塊的標準工作電壓約為3.3 V，工作電流約為200 mA，把經(jīng)12 V轉(zhuǎn)為3.3 V的電源作為標準模塊使用，所以本次電源設(shè)計采用一種降壓式開關(guān)電源，該電源可以將12 V輸入電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V的輸出電壓。此電源上還使用了一個集成電源控制器(SC4519)，具有獨立的同步和使能功能，支持低成本低功耗解決方案，并且這種控制器會將功率管集成在芯片內(nèi)部，簡化了電源的設(shè)計過程。電源設(shè)計原理圖如圖4所示。

圖4 電源設(shè)計原理圖

SC4519使用反饋回路來調(diào)節(jié)操控內(nèi)部電源開關(guān)的占空比，其中誤差放大器的功能類似于電壓模式變換器，開關(guān)電流基準工作由它的輸出所決定。這項技術(shù)提高了電壓模式系統(tǒng)的性能。基于這種方法，補償電流模式轉(zhuǎn)換器可以獲得更好的性能。周期內(nèi)的開關(guān)電流都由電源控制器內(nèi)部的檢測放大器來監(jiān)測，當COMP上的電壓大于2 V并且電流限值超過3 A的上限時會觸發(fā)過流保護(Over Current Protection,OCP)。將EN引腳拉低并保持在0.4 V以下會激活SC4519的關(guān)閉模式。在關(guān)閉模式下，如果EN引腳拉高，則SC4519被接通。

3 平臺測試

3.1 數(shù)字診斷原理

SFF-8472協(xié)議規(guī)定了光模塊中數(shù)字診斷功能的具體內(nèi)容[10-11]，支持數(shù)字診斷的監(jiān)測接口會對光模塊工作的數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測，監(jiān)控的數(shù)據(jù)經(jīng)過校準后變成數(shù)字化的參量，存儲到芯片后外部設(shè)備可經(jīng)過I2C接口進行讀取[12]。另外，光模塊數(shù)字診斷接口還為內(nèi)存映射增加了選擇，不但保留了GBIC在地址A0H處的地址映射，并且一個新的256 B的存儲單元被添加為A2H的地址。其中兩線串行接口訪問的8位地址為1010000X(A0H)，主要用來存儲模塊的一些特定信息，例如模塊的序列號、類型、生產(chǎn)廠家、傳輸距離等。

診斷監(jiān)測接口使用的8位地址為1010001X(A2H)，主要用來對光模塊的發(fā)射功率、接收功率、電壓、偏置電流和溫度等指標進行實時監(jiān)測，將得到的數(shù)字信息與模擬量進行對照，完成校準。具體的SFF-8472協(xié)議架構(gòu)如圖5所示。

圖5 SFF-8472協(xié)議架構(gòu)

3.2 光收發(fā)模塊性能測試

按照圖1搭建好測試平臺后，應確保模塊可以正常工作，測試項目主要有靈敏度、誤碼率、光功率和眼圖的效果。測試主要原理為誤碼儀的內(nèi)部模塊生成偽隨機碼序列，并利用監(jiān)控系統(tǒng)的對外接口傳遞給被測的模塊[13-14]；經(jīng)過電光轉(zhuǎn)換后將電信號轉(zhuǎn)換為光信號并發(fā)送到示波器查看眼圖效果，同時，信號還會通過光衰減器分流到光模塊的接收端，接收接口完成光電轉(zhuǎn)換交付到誤碼檢測模塊；隨后，將接收的誤碼序列與開始的隨機序列進行比對，從而得出誤碼率。誤碼儀測試界面如圖6所示?？梢钥闯鱿到y(tǒng)誤碼率在1E-13以下。調(diào)節(jié)衰減器衰幅度，當誤碼率沒有達到10-9量級時初值會自動衰減0.3 dB并且一直循環(huán)下去，達到后系統(tǒng)會將此時的光功率作為第一個測試點，隨后衰減0.4 dB逐次找出后續(xù)的測試點，最后得到的光功率與誤碼率兩組數(shù)據(jù)通過最小二乘法完成線性擬合[15]。

圖6 誤碼儀測試界面

其數(shù)學公式如下，設(shè)擬合直線方程為

y=ax+b

(1)

有任意觀察點的m組數(shù)據(jù)為(xi,yi)，而觀察點與擬合直線上的點橫坐標相同，縱坐標相差距離為

di=yi-(a+bxi)

(2)

設(shè)

(3)

隨后分別對a和b求一階偏導：

(4)

令其等于0求出a和b分別為

(5)

求出a與b后，根據(jù)式(1)可以找到y(tǒng)為10-12時對應的x值，在這種情況下，功率計以10-12的數(shù)量級測量的光功率值就是靈敏度。在發(fā)射端性能調(diào)試中通過控制眼圖分析儀將眼圖信息完整顯示出來，眼圖信號如圖7所示。從圖7中可以看出測試的眼圖軌跡線清晰、對稱，張開程度也較大，“0”和“1”電平平滑，說明信號沒有受到明顯的噪聲干擾，表明了眼圖符合測試的基本標準。

圖7 眼圖信號

3.3 光模塊監(jiān)測系統(tǒng)測試

光模塊監(jiān)測系統(tǒng)的指標主要包括光發(fā)射和接收功率、電壓、偏置電流、溫度。SFP+光模塊系統(tǒng)監(jiān)測界面圖如圖8所示，選擇模塊型號后先解除模塊密碼，隨后進行狀態(tài)讀取，實時對這幾個參量進行監(jiān)測并且固定時間自動刷新，通過內(nèi)部校準的方式顯示出來。如果監(jiān)測的參量值在告警門限范圍內(nèi)則綠燈亮起，否則會亮紅燈，此時就要檢查是模塊自身問題還是通信問題。之后單片機讀取相關(guān)值并寫入模塊。

圖8 SFP+光模塊系統(tǒng)監(jiān)測界面圖

表1和表2分別為系統(tǒng)在不同溫度下模擬量的監(jiān)測值與實測值匯總，通過對比可以得出光功率的誤差在±0.5 dBm以內(nèi)，溫度、電壓偏置電流等結(jié)果也均在廠家誤差范圍內(nèi)，驗證了測試模塊的性能良好，優(yōu)化設(shè)計的測試方法可行，有著良好的應用價值。

表1 軟件監(jiān)測值

表2 系統(tǒng)實測值

4 結(jié)束語

本文主要提出了一種10 Gbit/s的SFP+光模塊測試平臺的優(yōu)化設(shè)計，使用四通道測試的方法來替代傳統(tǒng)的單通道和雙通道測試，在高低溫條件下的測試結(jié)果都符合要求；與計算機的通信過程中選擇了USB接口使光模塊測試系統(tǒng)的應用范圍和穩(wěn)定性都更好，模塊系統(tǒng)滿足了SFF-8472協(xié)議的要求，實現(xiàn)了對光模塊系統(tǒng)的實時監(jiān)測，保證了整體監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性。目前可以進一步拓展的是八通道測試，但是八通道測試對模塊的傳輸速率和器件自身的質(zhì)量要求較高。下一步努力的方向是實現(xiàn)完全的自動化測試，進一步提升測試效率。