一种CFP 40G／100G光模块物理层的测试方法

景红星， 何晓雄

（合肥工业大学 电子科学与应用物理学院，安徽 合肥 230009）

0 引 言

IEEE在2010年6月发布了IEEE 802.3BA标准，推出了更快的40G／100G以太网标准［1］，这一标准的制定为新一波更高速的以太网服务器连通性和核心交换产品铺平了发展之路。40G／100G以太网的应用需要解决高速信号带来的大量技术问题，100Gb／s通信系统物理层测试就是其中之一。针对100Gb／s通信系统物理层测试，示波器厂商泰克和安捷伦都推出了各自的解决方案［1－2］。其 中 使 用 泰 克 的 测 试 设 备 DSA8300、BertScope和CR286A时钟恢复单元这一套工具，可对光接口和电接口的发射机和接收机进行一致性测试、诊断测试［3－4］。

针对CFP 100G光模块物理层电信号的测试，由于单对差分信号速率达到甚至超过10Gb／s，采用示波器探头在电路板上点测波形的传统方法已经无法有效获得准确的测量波形和数据，需要开发与CFP光模块相配合的测试夹具实现对电信号的测试。

CFP测试夹具能够将被测信号和测试仪器通过SMA头连接器稳固连接，能以较小的、可接受的损耗将待测信号传输到测试仪器中，实现对信号波形和数据的测试。

1 基于IEEE 802.3BA协议测试方案

IEEE 802.3BA标准，即40G／100G以太网标准。2007年7月23日，以太网联盟宣布IEEE 802.3高速网络工作组（HSSG）就下一代以太网速率标准提出了新建议。新标准将支持40Gb／s速率下100m多模光纤传输、10m铜线传输和1m背板传输。在100Gb／s领域，新标准将支持10km和40km单模光纤传输、100m多模和光纤传输、10m铜线传输，40G以太网主要面向数据中心的应用，而100G以太网更侧重于网络汇聚和骨干。IEEE的40G／100G以太网标准发布后，多个光通信标准组织也积极制定相关规范，涵盖40G／100G器件、光模块、OTN开销处理、系统设备等领域。相对来说，IEEE主要制定客户侧的网络接口和以太网相关映射标准，为40G／100G客户侧接口提供了规范。IEEE 802.3BA对40Gb／s和100Gb／s通信系统制订了详细的标准规范，其中也详细定义了在通信系统电气特征方面的特征参数，定义了40Gb／s的连接单元接口（XLAUI）和100Gb／s的连接单元接口（CAUI）的电气特性。

本文的测试方案是基于IEEE 802.3BA协议，通过搭建以泰克误码仪示波器为主的测试系统及测试环境，制作CFP测试夹具，并对CFP光模块物理层电信号进行测试，对测试结果进行评估判断。其中CFP夹具制作时，严格参照802.3BA协议中关于HCB和MCB中的电气特性参数，并验证了夹具电气性能是否符合协议规范。

2 CFP测试夹具

2.1 CFP测试夹具简介

CFP测试夹具是针对高速IO设计开发的高精度高带宽测试夹具单板，其主要用于CFP 40G／100G光模块物理层信号的测试。CFP测试夹具共有2个部分，即公头HCB和母头MCB。公头HCB的作用主要是将Host设备的信号（如交换机单板内的Serdes信号）引出来以便进行精密的测试，公头有着和CFP光模块一样的金手指连接器，能像CFP光模块一样插入Host设备（如接CFP光模块的交换机），可以单独用于高速IO系统TX测试；母头MCB单板主要是将Module（光模块）的信号引出来，可以单独用于RX测试和CFP铜缆无源电气特性测试，母头MCB上可插入光模块，用来测试CFP光模块接收端眼图，测试方法是通过光纤与插在通信设备（如交换机）上的光模块相连来测量经过光模块转换过的电信号。制作好的CFP测试夹具公头和母头的实物图如图1所示（左侧为公头HCB，右侧为母头MCB）。其中有较多的SMA头连接器，连接测试探头到示波器，实现对高速信号的精准测量。

图1 CFP测试夹具实物图

2.2 CFP测试夹具电气性能

IEEE 802.3BA协议详细定义了HCB、MCB的插入损耗、回波损耗和SCD／SCC相关指标。MCB中CFP Module、Connector和Host PCB的损耗分配、HCB中CFP Module、Connector和Host PCB的损耗分配如图2所示。

CFP测试夹具主要用来测试速率在10.312 5Gb／s 的 电 信 号，如 40GBASE－SR4、40G BASE－LR4、100GBASE－SR10、100GBASECR10等光模块，夹具工作时需满足带宽频率5.156 25GHz。

图2 规范定义MCB、HCB插入损耗指标分配

IEEE 802.3BA 协议规定［5］，HCB夹具插入损耗需满足如下计算公式：

其中，IL（insertion loss）为插入损耗。MCB夹具插入损耗需满足计算公式如下：

根据（1）式和（2）式，可以得到 HCB／MCB配对IL模板曲线如图3所示。

图3 HCB／MCB配对IL模板曲线

2.3 CFP测试夹具制作

CFP夹具的原理图和PCB版图的设计是采用Cadence公司的EDA工具Cadence SPB，同时该工具可以针对高速信号在PCB板上的传输进行建模仿真［6］。

原理图的设计中，主要包括供电电路的设计（MCB夹具需要对插入光模块供电）、连接器的设计、单板PIN角的设计和配置等。CFP夹具PIN脚与CFP光模块的相同，CFP光模块的电接口信号一共有148个Pin，分为电源、控制和业务信号（接收信号、发送信号）。

CFP测试夹具作为针对高速IO设计开发的高精度、高带宽测试夹具单板，其SMA头连接器、金手指连接器和PCB板材的性能尤为重要。SMA头连接器型号为高性能射频同轴连接器50Ω－SMA，属于 Molex Optimized SMA系列，带宽DC－27GHz；PCB板材选择上，HCB单板采用TSM－DS3超低损耗射频板材和混压工艺，MCB单板采用M6板材和混压工艺，MCB为8层板层叠设计，采用背钻工艺控制过孔Stub走线长度；铜箔采用HVLP，避免铜箔粗糙度引入的损耗。

HCB和MCB各自需要引出20对高速差分线，需要40个SMA连接器引出信号。单板上SMA连接器之间的间距不小于13.97mm，保证VNA仪器的连线有足够的操作间距。测试夹具中，SMA头连接器和CFP连接器之间的走线距离对夹具的插入损耗影响很大，走线的约束长度需通过SI（信号完整性）仿真确定［7－8］，SMA 连接器到CFP连接器的链路插损、回损需满足802.3ba协议中的性能指标要求；夹具阻抗控制精度满足±5%精度设计要求。

3 CFP光模块接收端眼图测试

3.1 测试平台和测试环境的搭建

测试方案基于IEEE 802.3BA协议，以泰克误码仪示波器为主要测试系统来搭建测试环境。整个泰克测试平台由3个单独的仪器子模块组成：误码仪示波器模块、时钟恢复模块（简称CR模块）和预加重模块（简称DPP模块）。测试仪器组建完成后，还需搭建DUT设备的测试环境。测试CFP光模块需要搭建40Gb／s、100Gb／s通信系统。

本次测试采用H3C数据中心交换机产品作为发送机，在交换机上插入CFP光模块，通过光纤与插在测试夹具母头MCB上的光模块相连进行通信，整个测试环境如图4所示。

图4 测试环境图

实际测试中，还需对发送机（交换机）进行配置，并在测试夹具MCB上通过跳线帽配置好待测的CFP光模块的管脚，使发送机和接收机2个光模块能够通信。待测设备的测试环境搭建完成后，将BertScope示波器通过采用SMA连接器接头的射频线与测试夹具相连，使得连接稳定可靠，以保证测试信号传输中待测信号的完整性。

3.2 测试波形

IEEE 802.3BA规范定义Module测试眼图模板的规格，见表1所列。

表1 Module测试眼图模板数据

实测Finisar公司的CFP 40G／100G光模块眼图波形和数据如图5所示。

图5 实测CFP光模块接收端信号眼图

误码仪示波器所测得的数据为：实测电信号眼图眼高457.5mV，眼宽87.9ps，抖动峰峰值9.8ps，抖动RMS值1.6ps，（0.101UI），上升时间32.6ps，下降时间32.6ps。信号的眼图波形张开，眼图质量很好。与IEEE 802.3BA协议规范的眼图参数相比，实测眼图波形各项指标均满足规范要求。

4 结束语

本文通过制作CFP测试夹具，利用测试夹具将CFP光模块中的电信号完整引出来，使得被测的光模块电信号通过夹具能以较小的、满足协议规范的损耗传输到测试仪器中，保证了被测信号在测试过程中信号的完整性，使得测试可行、测试结果可靠。高速信号的测试中，保证被测信号的完整性是确保测试可行、结果可靠的重要环节，测试夹具需要严格满足相关协议制定的电气性能指标。通过对CFP测试夹具电气特性一致性测试（主要包括阻抗测试和频域规范一致性测试）和最终实际成功测试出的CFP光模块眼图，说明了使用CFP测试夹具测试光模块物理层电信号是可行的。

［1］ 安捷伦科技公司.安捷伦科技推出首款MIPI M－PHY发射机一致性测试套件［J］.国外电子测量技术，2011，30（10）：84.

［2］ 泰克公司.泰克扩大对以太网测试的支持，推出SFF 8431 SFP＋自动一致性测试和调试解决方案［J］.国外电子测量技术，2012，31（1）：99.

［3］ 泰克公司.泰克BERTScope增加PCIe 3.0接收机测试支持［J］.微型机与应用，2011，30（14）：78.

［4］ 王良俊，马 琪.USB 3.0中的CRC校验原理及实现［J］.现代电子技术，2011，34（18）：170－171.

［5］ IEEE 802.3BA－2010，Information technology－telecommunications and information exchange between systems－local and metropolitan area networks－specific requirements part 3：carrier sense multiple access with collision detection（csma／cd）access method and physical layer specific［S］.

［6］ 余永莉.数字电路设计中的信号完整性分析［J］.合肥工业大学学报：自然科学版，2004，27（7）：843－846.

［7］ 于正永.偏心带状线不连续性等效电路的研究［J］.合肥工业大学学报：自然科学版，2009，32（9）：1335－1337.

［8］ 王 娟，杨明武.传输线上反射与串扰的仿真分析［J］.合肥工业大学学报：自然科学版，2012，35（2）：197－200.