带你探索400G光模块测试

随着移动互联网、云计算、大数据等技术快速发展，数据中心及云计算资源需求的爆发式地增长，核心网传输带宽需求大幅度的提升，同时也带动了超大规模云数据中心的发展，对数据中心内部和之间的互联的光模块带宽需求呈快速增长，促使数据中心从100G向更高速率、更大带宽、更低延时发展，400G以太网成为数据中心的必然发展趋势，400G已经应用在超大型数据中心光通信模块中。

全球网络流量的飞速攀升，用户需要快的速率宽来满足应用需求，这促进了400G以太网在大型数据中心的广泛应用。400G光模块作为未来数据中心内部光网络互联的关键硬件设备，面临速率、功耗、体积、成本等多方面的挑战。本文将重点介绍400G光模块测试时所面临的挑战以及400G光模块主要的测试项目，让您学会辨别400G光模块的好坏。

400G光模块

400G光模块主要用于光电转换，电信号在发送端转换为光信号，然后通过光纤传输，在接收端，把光信号转换成电信号。400G光模块的传输速率为400Gbps，400G光模块在构建400G网络系统中起着至关重要的作用。

未来几年内，市场上将会出现大量的400G光模块产品来满足不同的网络需求，如400G QSFP-DD光模块等。但如何判断400G产品是否合格是一件非常不容易的事，尤其是关键的互联组件光模块。

400G光模块有400G-SR16、400G-FR8、400G-LR8、400G-DR4，400G-FR4，400G-LR4等400G-QSFP-DD产品系列，目前已经开始在数据中心及5G网络中批量使用。

PAM4 VS NRZ

对于400G光模块，OSFP/QSFP-DD与主机接口电信号为 8x50G/PAM4，均采用PAM4调制方式。

400G与传统的NRZ信号测试不同，400G PAM4光模块发射端的测试增加了SSPRQ码型下TDECQ的测试，接收端需要测量分析FEC打开前后的误码情况。

PAM4技术已被广泛应用于高速信号互连，数据中心的基于PAM4调制技术的400G光收发模块，5G网络的基于PAM4调制技术的50G光收发模块等领域，未来的PCIE6.0也将采用PAM4调制技术。

400G光模块测试的挑战

虽然更大带宽和PAM4调制技术的利用确实对吞吐量有极大地提升，但却也给400G带来了一些问题，如物理结构变得更复杂，信号传输很容易出现错误等。

1、400G接口具备更高速率的传输通道，这意味着信号在传输过程中会产生更多的噪音（信噪比），而较高的信噪比会导致误码率（BER）变大，从而影响信号传输质量。

2、在物理接口结构上，400G光模块接口包含了电输入接口、电输出接口、光输入接口、光输出接口以及其它的电源和低速管理接口，相对于100G光模块接口来说，400G接口多元化且更为复杂，但400G光模块尺寸却与现有的100G光模块尺寸相似，这导致400G接口需要更复杂的制造生产工艺和相应的性能测试技术，来保证这些光模块的质量。

3、复杂的400G测试项目也给光模块供应商带来了新的挑战。为了确保用户所收到的光模块质量良好，供应商必须采用更加专业的光模块检测设备，且需要具备较高的检测水平以及研发技术。与此同时，确保400G能与现有的网络基础设备连接升级以及400G的研发/制造/测试成本等也是供应商需要解决的问题。

关键测试项目

400G光模块采用了PAM4调制，从NRZ到PAM4信号的转变，绝不是简单的量变，而是一个质的变化。因为PAM4信号格式的特点，带来了测试参数和测试方法的巨大变革，以前NRZ时代常用的模板余量测试，在PAM4时代还适用吗？不适用的话又如何测PAM4来判断400G光模块性能呢？在所有目前的公开标准规范中，Mask Margin模板余量已经不再适合PAM4的测试，需要用新的参数来表征400G光模块发射机的性能，这个新的参数就是TDECQ。下图中s是400G光模块验证中的几个重要测试项目：TDECQ、OMAouter、消光比、线性度RLM、电平、电平偏差、电平厚度、有效符号电平、眼图宽度、眼图高度、过渡时间、过冲、下冲。此次主要讲解TDECQ的测试。

TDECQ

TDECQ:Transmitter and Dispersion Eye Closure penalty Quaternary (发射机色散眼图闭合代价)，是衡量PAM4光信号质量的非常重要的一个参数。下面的图是 IEEE802.3 标准组织对于 TDECQ 的测试框图 ：

TDECQ的计算方式

TDECQ的测试要求

TDECQ的两个测试前提 ：测试码型和测试接收机。

IEEE802.3bs 对于 PAM4 信号的测试码型要求如下：

其中：

PRBS13Q： 是由两段 PRBS13 码型进行格雷编码（0-00，1-01， 2-11，3-10）后得到的长度为 8191 的四电平码型，可用来进行发射机的 ER/OMA 的测试 ；PRBS31Q： 同样是由两段 PRBS31 码型进行格雷编码（0-00，1-01，2-11，3-10）后得到的长度为 2^31-1 的四电平码型，注意该码型只用来进行 PAM4 系统灵敏度的测试；

SSPRQ（Short Stress Pattern Random Quaternary） ：完全是人为构造的新的码型，是从传统的PRBS31码型里面选取 4 段对于发射机压力比较大的码型进行拼接编码而成，长度是 2^16-1. 其好处是既可以对被测发射机施加足够的压力从而更加接近测试其在真实业务下的性能，又具有短码型的特征，从而使得采样示波器可以捕获整个码型进行均衡等信号处理了。SSPRQ 是进行 TDECQ 测试的码型。

对于 PAM4 光信号的测试（包括 TDECQ 等参数），IEEE802.3bs 规范要求测试仪表的参考接收机必须满足两个要求 ：

a. 理想的四阶贝塞尔 - 汤姆逊低通滤波频响 ；

b. 该低通滤波频响的 3dB 带宽是被测信号符号率的一半（13.28GHz for 26.56GBaud, 26.56GHz for 53.125GBaud）。

注意 ：对于多模 26.56GBaud PAM4 光 信号测 试，带宽变为 11.2GHz。测试码型和测试接收机确定了以后，我们继续来看 TDECQ 的测试。TDECQ 的测试里面，对于CDR的要求是环路带宽4MHz,slope 20dB/dec, 1st order, no peaking。

和NRZ不同的是，由于PAM4信号本身的复杂性，需要在信号接收端使用均衡器来张开眼图，所以，TDECQ 的测试仪表中需要均衡器 (reference equalizer)，标准已经规定了均衡器是 5 tap/T spaced 的 FFE 均衡器，但均衡器的具体系数则是软件算法根据输入的信号来确定。

在严格标准规范测试中，是需要根据 TDECQ 的测试框图搭建光链路进行的，但在实际的 PAM4 生产测试中搭建如此复杂的光链路显然是不切实际的，所以很多情况下人们省略了光纤链路而直接测试光发射机输出信号的 TDECQ。

下图是一张 TDECQ 的测试方案框图：Keysight（N1092 +N1077/8A 系列）

如何验证400G光模块发射机性能

通常是利用光采样示波器和CDR时钟恢复仪来验证400G光发射机性能，通常的测试方法是：被测光模块的光信号经过分光器，分光器将信号进行20%/80%（50%/50%也可以）的光分，20%信号能量会输入到CDR时钟恢复仪进行时钟恢复，剩余80%信号能量连接到示波器的通道，示波器对进入光信号进行采集和相关参数的测试和分析，下图是测试方案框图。

飞速（FS）-400G光模块测试场景

飞速（FS）-测试项目

PS：测试标准参考IEEE 802.3bs、IEEE 802.3cd、MSA等标准协议

400G光模块测试结果

由于PAM4信号本身的复杂性，需要在信号接收端使用均衡器来张开眼图，下图是400G-LR4光模块，符号速率为53.125GBaud的测试结果，上边是均衡前的PAM4眼图，下边是均衡后的PAM4眼图， TDECQ的值为1.68dB，这个400G-LR4光模块的性能很好，该光模块TDECQ指标要求为：≤ 3.9 dB。

飞速（FS）-400G光模块产品清单

总结

400G以太网成为数据中心的必然发展趋势，400G光模块采用了PAM4调制技术，PAM4信号格式带来了测试参数和测试方法的巨大变革，模板余量已经不再适合PAM4的测试，需要用TDECQ来表征400G光模块发射机的性能，利用光采样示波器和CDR时钟恢复仪来完成400G光模块发射机的性能测试，提高400G光模块测试效率，助力400G光模块生产。