多速率误码和光功率集成检测系统的研究与开发

李姗珊，全 智，卢媛媛

(1.郑州大学信息工程学院，河南郑州 450001；2.深圳市湾泰若科技开发有限公司，广东深圳 518000)

0 引言

光通信系统是支撑现代通信的核心系统之一，5G移动网络、物联网、智能家居和智慧城市系统的发展和成熟，都将依赖光通信系统，为其提供更大的数据传输速率和吞吐量[1]。光模块是光通信系统的核心部件，光模块的质量检测是保证光通信系统数据有效传输的前提。误码率和光功率是检测光模块质量优劣的两个重要指标[2]。现今随着通信技术的飞速发展，数据传输速率逐渐增高，相应的误码测试的速率也需要不断提升。传统误码检测仪检测接口单一，检测速率较低，不能满足日益增长的速率检测的需求[3]。光功率计是检测光通信系统功率、衰减、损耗等技术指标的常用仪器，也是检测光模块质量的必用设备，其值是衡量光通信系统传输距离的重要参数。因此，设计了一种多速率集成检测系统，它可以用单路通道实现10G/25G光模块的误码检测、用4路通道(ch1、ch2、ch3、ch4)实现40G/100G光模块的误码检测，除此之外，该检测系统集成了光功率检测功能，实现对光模块的误码和光功率的一体化质量检测工作。我们也设计了人机界面系统，它实时监控检测过程中的光模块内部的业务状态，并上报显示，供测试人员方便地衡量质量指标。

1 总体设计架构

多速率误码和光功率集成检测系统硬件设计框图如图1所示，它主要包括核心处理器模块、10G/25G误码处理模块和40G/100G误码处理模块、光功率检测模块、电源模块、时钟模块和显示模块。针对要检测多速率光模块的需求，在硬件电路上设计了2个光模块接口，分别是用于测量10G/25G光模块的SFP+接口和用于测量40G/100G光模块的QSFP28接口。

图1 多速率误码和光功率集成检测系统设计框图

系统的核心处理器(MCU)采用基于ARMCortex-M3内核的NXPLPC17xx系列芯片[4]，其操作频率可达100 MHz，具有3级流水线和哈佛结构，外设包含512 KB的flash存储器空间、64 KB的数据存储器空间、具备以太网PHY接口、USB接口及通用定时器等。MCU提供的多种通信接口和丰富的数据存储外设空间，能充分满足对系统硬件部分的控制和外部调试人员对系统内部的通信控制，保证了系统处理的速度和精度。

在误码检测模块，采用INPHY IN012xx系列集成芯片实现误码检测及计数功能，此芯片外部有4路高速差分收发传输通道，并且其具有较小的电压摆幅特性，能有效抑制高频信号在传输信道中产生的噪声。此芯片还支持在误码检测时人工插入误码，这项功能可以被用于验证误码计数器和误码检测通道的正确性。IN012xx内部还集成了自适应的伪随机序列(PRBS)生成模块、PRBS检测模块、统计误码个数模块、数据时钟恢复(CDR)功能模块等。

测量光功率主要采用量热式和光电式检测方式，相比较而言，光电式检测方式具有更好的线性特性、响应度高、噪声低、成本低[5]，故选择光电式方式检测光功率。在此基础上，选择具有大动态波长响应范围的InGaAs[6]材料作为光电检测材料，保证光功率检测实现较快的响应速度和较高的灵敏度。

为保证高速信号完整性，本系统的输入输出接口均采用CML(current mode logic)接口，其单端输入输出阻抗均为50 Ω，与高速电路中单端高速线的特征阻抗相匹配[7]，并且其内部提供上拉电阻，在PCB设计时，只要做合理的差分线阻抗设计，便可以完成阻抗匹配，使用简便。

2 系统检测原理及电路设计

2.1 误码检测

该系统误码检测单通道原理框图如图2所示。在光信号接收端和发送端，均有Serdes(串行器-解串行器)进行处理，Serdes内部集成了均衡功能、加重功能、CDR功能和串并转换功能等，可以对系统传输的高速信号进行持续优化，降低信号在传输中的损耗，有效降低系统误码率。

图2 误码检测单通道原理框图

如图2所示，在误码检测系统的接收端，光模块发送出的光信号，送入Serdes Rx进行处理，在Serdes Rx中光信号首先经过去抖动处理，改善经信道传输后的高频信号分量，接下来利用CDR功能从接收数据的边沿信息中提取同步参考时钟信号(Rxclk)，用来恢复原数据序列，并将恢复的数据序列进行串并转换处理[7]。在Rxclk同步参考时钟的作用下，搜索恢复的数据序列与本地PRBS数据序列同步对齐码的位置，经过多次在同一位置找到对齐码后，捕获同步信号，对数据序列进行锁定，开始PRBS检测和误码计数，在比对两序列之后，错误码字的个数计入误码寄存器中。控制系统对此寄存器中的数据进行提取、处理，计算得到误码率。

在发送端，系统有PRBS7/9/15/31及Square wave5种测试码型可选，控制系统接收用户设定的码型参数，控制PRBS生成器，生成相应的本地并行PRBS数据序列，在SerdesTx中将生成的本地并行数据转换为串行数据，并对信号进行加重处理，优化高频信号分量，实现误码检测单通道输出10～25 Gbit/s的信号速率。

设计的系统有2路检测，一路实现10G/25G光模块误码检测，另一路实现40G/100G光模块误码检测。10G/25G检测模块由1个通道构成，40G/100G检测模块由4个通道构成，2路模块共同实现本系统多速率误码检测的功能，具体通路设计分布如图3所示。

图3 误码检测通道设计框图

2.2 光功率检测

在光功率检测模块中，被测光模块发送的光信号，经过光电探测，转换为微弱电流信号，经前置低噪声信号放大器的放大和滤波电路的处理后，在16位逐次比较型A/D转换器中进行模数转换[8]，MCU获取转换后的数据信号，在本地参考时钟信号的作用下，对数据进行提取、处理、修正，得到准确的光功率值。

光功率检测原理图如图4所示。设计中光电二极管采用反向偏置电压的工作模式，在此种工作模式下，系统不存在暗电流，且具有良好的线性度，适用于微弱、高频光信号的探测。

图4 光功率检测原理图

考虑到经PIN光电二极管检测输出的是微弱电流信号，需要经过前置放大器对信号进行放大处理后才能参与后续处理。因此，选用低噪声、低功耗LMV932系列作为微弱信号的前置放大器，其可对低电平信号进行精密放大，它具有线性增益好、失调电压小的特点，能在1.8 V电源电压下实现1.4 MHz的增益带宽。图4中反馈电阻R59和并联电容C7设计组成的滤波回路，能有效避免高增益情况下的自振荡现象，保证系统信号的稳定传输。

2.3 电源设计

本系统误码检测电路和光功率检测电路的正常工作，需要多路满足相应标准的低电压供给，而直接从电源获取的电压较大，因此，需要对高电压进行降压处理。选用同步压降TPS621xx电源芯片为系统各部分供电。该器件的运行电压范围为3～17 V，支持高达3 A的持续输出电流，能有效避免电压纹波和随机抖动的增加，实现稳压输出，满足系统供电需求[9]。

根据实际用电情况，设计了5种供电电压，以保证系统的正常运行，分别是9、5、3.3、2.5、1.8 V，电源分压及主要供电去向如图5所示。

图5 电源系统分压示意图

图6为系统3.3 V转2.5 V的电源转压原理图。图中，3.3 V电压主要为MCU及其周边元器件、时钟分配系统供电，2.5 V主要为芯片的接收通道供电，该电压转换芯片采用基于DCS-ControlTM(直接控制)的拓扑技术，对低压差转换，有较快的响应速度。

图6 3.3 V转2.5 V电路原理图

2.4 时钟电路

对于高速测试系统而言，保证时钟的稳定性是关键。图7为系统时钟电路原理图，本系统时钟电路由固定12.44 MHz晶振、低噪声集成数字锁相环芯片(DPLL)及其周围的上下拉电阻、电容组成。通过运用数字频率合成技术，实现输出多频点连续可调的宽带时钟信号，作为系统多速率误码和光功率检测以及系统触发信号的参考时钟源。

图7 时钟系统电路图

3 软件设计

通过VS2015平台，采用Csharp语言对光模块标准协议[10]进行实现，获取光模块检测过程中的数据信息、告警信息，定义各项使能设置等[11]。图8为系统软件设计框图，系统上电后，所有设置恢复初始化状态，系统自动检测模块是否在位，人机界面显示模块状态信息，此时可配置系统的低、高功耗模式等，通过选择不同检测功能按键，系统执行相应的检测功能。

图8 系统软件设计框图

误码检测如图8左分支所示，在Lock锁定状态下，MCU通过I2C端口驱动误码芯片，使其产生PRBS数据序列，数据序列经过在被测光模块信道环回之后，被误码接收检测模块接收并进行误码检测处理，人机界面实时显示各检测通道的误码数、误码率、光功率值及其告警信息等。光功率检测如图8右分支所示，在参考时钟信号在位的状态下，通过选择合适的波长和测量单位，系统开始光功率检测，MCU对转换后的数字信号进行处理，并由人机界面显示光功率值。

4 系统性能测试

4.1 误码检测性能测试

为使测试尽可能真实地模拟实际传输状态，选用PRBS31码型进行误码测试[12]。实验方案设计为：本系统误码测试仪与OTN 603误码测试仪通过光纤连接支持同一速率的光模块，通过在两台设备间进行环回测试，验证误码检测性能，测试框图如图9所示。

图9 误码准确性验证环回测试框图

在性能测试中，让2台测试设备分别作为接收端，对得到的2组测试数据进行对比，表1、表2分别表示以本系统误码测试仪和以OTN603误码测试仪作为接收端检测得到的数据。

表1 环回测试中本系统误码仪检测的误码率

表2 环回测试中OTN603误码仪检测的误码率

通过表1、表2数据对比相同速率光模块对应信道的误码率可以看出：2台测试设备误码检测性能表现一致，表明在环回测试中，2台设备实现了对通检测，即本系统误码检测仪与OTN603具有相同的误码检测性能，能实现准确、可靠的误码检测功能。

现对人工插入误码功能进行验证。此次测试选用100 Gbit/s光模块作为测试对象。测试分为2个阶段(未插入误码阶段和插入误码阶段)，分别观察其误码率和总比特数的变化，测试数据如表3所示。

表3 人工插入误码功能验证数据

由表3可以看出，在传输9.75E+11个比特时，光模块没有误码生成。随后选择CH1、CH2、CH3信道各插入一个误码，CH4信道没有插入误码，此时4个信道的总比特数仍然相同，都为3.21E+12，但是CH1、CH2、CH3的误码率是3.11E-13，CH4的误码率保持不变，仍是0.00E+00。此项实验数据表明，人工插入误码功能满足设计要求，表现出较好的性能。在实际测试时，等间距插入误码，还可以使误码具有随机分布特性。

4.2 光功率性能测试

用本系统光功率计与市面上认可度较高的JDSU OPL5.5光功率计做对比测试，验证本系统光功率计的准确性。此次实验选用4个典型速率(10、25、40、100 Gbit/s)，光模块统一选用单模、波长为1 310 nm，测量数据如表4所示。

表4 本系统与JDSU OPL5.5测量的光功率数据

通过表4对4个速率的光模块测得的光功率数据的对比，可以得到：该系统光功率计与JDSU OPL5.5光功率计测得的光功率值基本一致，表明本系统能对光模块进行准确的光功率测量，性能稳定，达到预期设计要求。

5 结束语

设计的多速率误码和光功率集成检测系统基于单、四通道收发传输原理实现对10G/25G/40G/100G光模块的误码检测，选用InGaAs材料做光电探测器使光功率测量实现较快的响应速度，16位逐次比较型A/D转换器的应用实现光功率测量精度达0.01 dBm。实际性能测试表明：该集成检测系统性能稳定、准确、响应速度快，并且具有便捷的可视化界面，可以满足现今市场上对高速光模块一体化质量检测的要求，可以为日益发展的高速光通信系统提供可靠的质量检测。