景紅星， 何曉雄

（合肥工業(yè)大學 電子科學與應用物理學院，安徽 合肥 230009）

0 引 言

IEEE在2010年6月發(fā)布了IEEE 802.3BA標準，推出了更快的40G／100G以太網標準［1］，這一標準的制定為新一波更高速的以太網服務器連通性和核心交換產品鋪平了發(fā)展之路。40G／100G以太網的應用需要解決高速信號帶來的大量技術問題，100Gb／s通信系統(tǒng)物理層測試就是其中之一。針對100Gb／s通信系統(tǒng)物理層測試，示波器廠商泰克和安捷倫都推出了各自的解決方案［1－2］。其 中 使 用 泰 克 的 測 試 設 備 DSA8300、BertScope和CR286A時鐘恢復單元這一套工具，可對光接口和電接口的發(fā)射機和接收機進行一致性測試、診斷測試［3－4］。

針對CFP 100G光模塊物理層電信號的測試，由于單對差分信號速率達到甚至超過10Gb／s，采用示波器探頭在電路板上點測波形的傳統(tǒng)方法已經無法有效獲得準確的測量波形和數(shù)據(jù)，需要開發(fā)與CFP光模塊相配合的測試夾具實現(xiàn)對電信號的測試。

CFP測試夾具能夠將被測信號和測試儀器通過SMA頭連接器穩(wěn)固連接，能以較小的、可接受的損耗將待測信號傳輸?shù)綔y試儀器中，實現(xiàn)對信號波形和數(shù)據(jù)的測試。

1 基于IEEE 802.3BA協(xié)議測試方案

IEEE 802.3BA標準，即40G／100G以太網標準。2007年7月23日，以太網聯(lián)盟宣布IEEE 802.3高速網絡工作組（HSSG）就下一代以太網速率標準提出了新建議。新標準將支持40Gb／s速率下100m多模光纖傳輸、10m銅線傳輸和1m背板傳輸。在100Gb／s領域，新標準將支持10km和40km單模光纖傳輸、100m多模和光纖傳輸、10m銅線傳輸，40G以太網主要面向數(shù)據(jù)中心的應用，而100G以太網更側重于網絡匯聚和骨干。IEEE的40G／100G以太網標準發(fā)布后，多個光通信標準組織也積極制定相關規(guī)范，涵蓋40G／100G器件、光模塊、OTN開銷處理、系統(tǒng)設備等領域。相對來說，IEEE主要制定客戶側的網絡接口和以太網相關映射標準，為40G／100G客戶側接口提供了規(guī)范。IEEE 802.3BA對40Gb／s和100Gb／s通信系統(tǒng)制訂了詳細的標準規(guī)范，其中也詳細定義了在通信系統(tǒng)電氣特征方面的特征參數(shù)，定義了40Gb／s的連接單元接口（XLAUI）和100Gb／s的連接單元接口（CAUI）的電氣特性。

本文的測試方案是基于IEEE 802.3BA協(xié)議，通過搭建以泰克誤碼儀示波器為主的測試系統(tǒng)及測試環(huán)境，制作CFP測試夾具，并對CFP光模塊物理層電信號進行測試，對測試結果進行評估判斷。其中CFP夾具制作時，嚴格參照802.3BA協(xié)議中關于HCB和MCB中的電氣特性參數(shù)，并驗證了夾具電氣性能是否符合協(xié)議規(guī)范。

2 CFP測試夾具

2.1 CFP測試夾具簡介

CFP測試夾具是針對高速IO設計開發(fā)的高精度高帶寬測試夾具單板，其主要用于CFP 40G／100G光模塊物理層信號的測試。CFP測試夾具共有2個部分，即公頭HCB和母頭MCB。公頭HCB的作用主要是將Host設備的信號（如交換機單板內的Serdes信號）引出來以便進行精密的測試，公頭有著和CFP光模塊一樣的金手指連接器，能像CFP光模塊一樣插入Host設備（如接CFP光模塊的交換機），可以單獨用于高速IO系統(tǒng)TX測試；母頭MCB單板主要是將Module（光模塊）的信號引出來，可以單獨用于RX測試和CFP銅纜無源電氣特性測試，母頭MCB上可插入光模塊，用來測試CFP光模塊接收端眼圖，測試方法是通過光纖與插在通信設備（如交換機）上的光模塊相連來測量經過光模塊轉換過的電信號。制作好的CFP測試夾具公頭和母頭的實物圖如圖1所示（左側為公頭HCB，右側為母頭MCB）。其中有較多的SMA頭連接器，連接測試探頭到示波器，實現(xiàn)對高速信號的精準測量。

圖1 CFP測試夾具實物圖

2.2 CFP測試夾具電氣性能

IEEE 802.3BA協(xié)議詳細定義了HCB、MCB的插入損耗、回波損耗和SCD／SCC相關指標。MCB中CFP Module、Connector和Host PCB的損耗分配、HCB中CFP Module、Connector和Host PCB的損耗分配如圖2所示。

CFP測試夾具主要用來測試速率在10.312 5Gb／s 的 電 信 號，如 40GBASE－SR4、40G BASE－LR4、100GBASE－SR10、100GBASECR10等光模塊，夾具工作時需滿足帶寬頻率5.156 25GHz。

圖2 規(guī)范定義MCB、HCB插入損耗指標分配

IEEE 802.3BA 協(xié)議規(guī)定［5］，HCB夾具插入損耗需滿足如下計算公式：

其中，IL（insertion loss）為插入損耗。MCB夾具插入損耗需滿足計算公式如下：

根據(jù)（1）式和（2）式，可以得到 HCB／MCB配對IL模板曲線如圖3所示。

圖3 HCB／MCB配對IL模板曲線

2.3 CFP測試夾具制作

CFP夾具的原理圖和PCB版圖的設計是采用Cadence公司的EDA工具Cadence SPB，同時該工具可以針對高速信號在PCB板上的傳輸進行建模仿真［6］。

原理圖的設計中，主要包括供電電路的設計（MCB夾具需要對插入光模塊供電）、連接器的設計、單板PIN角的設計和配置等。CFP夾具PIN腳與CFP光模塊的相同，CFP光模塊的電接口信號一共有148個Pin，分為電源、控制和業(yè)務信號（接收信號、發(fā)送信號）。

CFP測試夾具作為針對高速IO設計開發(fā)的高精度、高帶寬測試夾具單板，其SMA頭連接器、金手指連接器和PCB板材的性能尤為重要。SMA頭連接器型號為高性能射頻同軸連接器50Ω－SMA，屬于 Molex Optimized SMA系列，帶寬DC－27GHz；PCB板材選擇上，HCB單板采用TSM－DS3超低損耗射頻板材和混壓工藝，MCB單板采用M6板材和混壓工藝，MCB為8層板層疊設計，采用背鉆工藝控制過孔Stub走線長度；銅箔采用HVLP，避免銅箔粗糙度引入的損耗。

HCB和MCB各自需要引出20對高速差分線，需要40個SMA連接器引出信號。單板上SMA連接器之間的間距不小于13.97mm，保證VNA儀器的連線有足夠的操作間距。測試夾具中，SMA頭連接器和CFP連接器之間的走線距離對夾具的插入損耗影響很大，走線的約束長度需通過SI（信號完整性）仿真確定［7－8］，SMA 連接器到CFP連接器的鏈路插損、回損需滿足802.3ba協(xié)議中的性能指標要求；夾具阻抗控制精度滿足±5%精度設計要求。

3 CFP光模塊接收端眼圖測試

3.1 測試平臺和測試環(huán)境的搭建

測試方案基于IEEE 802.3BA協(xié)議，以泰克誤碼儀示波器為主要測試系統(tǒng)來搭建測試環(huán)境。整個泰克測試平臺由3個單獨的儀器子模塊組成：誤碼儀示波器模塊、時鐘恢復模塊（簡稱CR模塊）和預加重模塊（簡稱DPP模塊）。測試儀器組建完成后，還需搭建DUT設備的測試環(huán)境。測試CFP光模塊需要搭建40Gb／s、100Gb／s通信系統(tǒng)。

本次測試采用H3C數(shù)據(jù)中心交換機產品作為發(fā)送機，在交換機上插入CFP光模塊，通過光纖與插在測試夾具母頭MCB上的光模塊相連進行通信，整個測試環(huán)境如圖4所示。

圖4 測試環(huán)境圖

實際測試中，還需對發(fā)送機（交換機）進行配置，并在測試夾具MCB上通過跳線帽配置好待測的CFP光模塊的管腳，使發(fā)送機和接收機2個光模塊能夠通信。待測設備的測試環(huán)境搭建完成后，將BertScope示波器通過采用SMA連接器接頭的射頻線與測試夾具相連，使得連接穩(wěn)定可靠，以保證測試信號傳輸中待測信號的完整性。

3.2 測試波形

IEEE 802.3BA規(guī)范定義Module測試眼圖模板的規(guī)格，見表1所列。

表1 Module測試眼圖模板數(shù)據(jù)

實測Finisar公司的CFP 40G／100G光模塊眼圖波形和數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 實測CFP光模塊接收端信號眼圖

誤碼儀示波器所測得的數(shù)據(jù)為：實測電信號眼圖眼高457.5mV，眼寬87.9ps，抖動峰峰值9.8ps，抖動RMS值1.6ps，（0.101UI），上升時間32.6ps，下降時間32.6ps。信號的眼圖波形張開，眼圖質量很好。與IEEE 802.3BA協(xié)議規(guī)范的眼圖參數(shù)相比，實測眼圖波形各項指標均滿足規(guī)范要求。

4 結束語

本文通過制作CFP測試夾具，利用測試夾具將CFP光模塊中的電信號完整引出來，使得被測的光模塊電信號通過夾具能以較小的、滿足協(xié)議規(guī)范的損耗傳輸?shù)綔y試儀器中，保證了被測信號在測試過程中信號的完整性，使得測試可行、測試結果可靠。高速信號的測試中，保證被測信號的完整性是確保測試可行、結果可靠的重要環(huán)節(jié)，測試夾具需要嚴格滿足相關協(xié)議制定的電氣性能指標。通過對CFP測試夾具電氣特性一致性測試（主要包括阻抗測試和頻域規(guī)范一致性測試）和最終實際成功測試出的CFP光模塊眼圖，說明了使用CFP測試夾具測試光模塊物理層電信號是可行的。

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［6］ 余永莉.數(shù)字電路設計中的信號完整性分析［J］.合肥工業(yè)大學學報：自然科學版，2004，27（7）：843－846.

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