SFP+ представляет собой компактный многоскоростной оптический трансивер нового поколения с возможностью горячего подключения, работающий на скоростях от 8,5 до 11 Гбит/с и применяемый в сетях передачи или хранения данных. Стандарт SFF-8431 SFP+ описывает модуль трансивера, упрощенный по сравнению с его предшественником 10GbE, эффективно заменяющий два оптических модуля и обеспечивающий соединение волоконно-оптического кабеля с медным биаксиальным кабелем. И хотя серийный выпуск трансиверов SFP+ начался не так давно, объем их поставок уже в три раза превысил объем поставок его предшественника 10GBASE-T, и этот разрыв увеличивается из месяца в месяц.
По мере распространения SFP+ важно, чтобы инженеры познакомились с основными проблемами, связанными с тестированием устройств, поддерживающих SFP+. В этой статье мы обсудим основные возможности SFP+, а затем перейдем к проблемам тестирования. Статья опишет важные измерения TWDPc, которые связаны с верификацией SFP+ и присущими ему уникальными проблемами тестирования физического уровня. Читатель получит полезную информацию об имеющихся измерительных приборах, тестовой оснастке и средствах подключения, а также сведения об отладке и тестировании на соответствие стандарту.
Меньше, дешевле, эффективней
Модуль SFP+ (компактный подключаемый модуль) является разновидностью оптического трансивера SFP. Модуль SFP+ имеет на 30 % меньшие размеры, потребляет меньше энергии, требует меньше компонентов и обходится дешевле модуля XFP (который тоже имел меньший размер и потреблял меньше мощности по сравнению с модулями формата XENPAK и X2 на основе XAUI).
Форм-фактор SFP+ существенно упрощает функциональность оптических модулей 10G, перенося часть функций, таких как восстановление тактовой частоты и данных (CDR), компенсация электронной дисперсии (EDC), последовательно-параллельное преобразование 10G и обработка сигналов, традиционно выполняемых в модулях на основе XAUI, на физический уровень (PHY) устройств и линейных карт 10GbE. В результате модули становятся меньше, потребляют меньше энергии и позволяют повысить плотность портов при одновременном снижении стоимости по сравнению с XFP. Сейчас на рынке имеются изделия с 48 и более портами в одной стойке.
Каждый модуль SFP+ содержит оптический передатчик и приемник. С одной стороны модуля установлен разъем последовательного интерфейса SFI, способного работать с дифференциальными сигналами со скоростью до 10 Гбит/с. С другой стороны установлены оптические разъемы, соответствующие стандартам 10GbE и 8GFC. Активный кабель SFP+ имеет электрический вход и выход, причем оптический приемник и передатчик смонтированы внутри кабеля. Кроме того, активные кабели с разъемами SFP+ могут быть медными и содержать встроенные корректоры предискажений и эквалайзеры.
Проблемы тестирования SFP+
Хотя SFP+ помогает снизить общую стоимость системы, он создает новые проблемы проектирования и обеспечения характеристик физического уровня. Интерфейс SFI между главной платой и модулем SFP+ создает серьезные проблемы в процессе проектирования и тестирования.
Одна очевидная проблема связана с ростом плотности портов и временем, необходимым для тестирования устройств с числом портов 48 и более. Например, каждый тест главного передатчика состоит из 15 измерений, и каждое из этих измерений, если выполняется вручную, может занимать от 3 до 5 минут. Это значит, что инженер может потратить более часа на тестирование каждого порта, и это время надо еще умножить на число портов.
Другая проблема, с которой сталкиваются современные разработчики, это проблема гладкого перехода от тестирования на соответствие стандарту к отладке. Если измерение дало отрицательный результат, то как инженер узнает о том, какой из компонентов вызвал отказ, и как он найдет исходную причину неисправности? Эта задача еще более усугубляется в связи с плотной компоновкой элементов и компактностью конструкции.
Еще одна проблема, с которой приходится сталкиваться современным разработчикам, связана с подключением: как передать выходной сигнал устройства на осциллограф. Обычно для этого используются тестовая оснастка, но нужно быть уверенным в том, что эта тестовая оснастка тоже полностью соответствует спецификациям.
Спецификации SFF-8431 SFP+ написаны в расчете на то, что большинство разработчиков и испытателей будет использовать осциллографы эквивалентного времени. На самом деле большинство разработчиков предпочитает пользоваться осциллографами реального времени, поскольку это упрощает переход в режим отладки. Кроме того, при использовании осциллографов, поддерживающих полосу пропускания более 30 ГГц и высокую частоту дискретизации, такие характеристики как длительность фронта и полоса сигнала более не являются ограничивающими факторами, как было всего несколько лет назад. Тем не менее, проблема заключается в интерпретации спецификаций осциллографа реального времени относительно осциллографа эквивалентного времени.
Еще одна проблема, к которой следует приготовиться, связана с тем, что спецификация SFP+ требует выполнения некоторых измерений с помощью сигнала PRBS31. Некоторые измерения (общий джиттер и частота попадания в маску глаза) рекомендуется выполнять с использованием сигнала PRBS31. Максимальная длина записи, поддерживаемая популярными осциллографами реального времени высшего класса, равна 200 миллионам выборок. При частоте дискретизации 50 Гвыб./с осциллограф может захватить примерно 40 млн. единичных интервалов (UI), а при частоте дискретизации 100 Гвыб./с – 20 млн. единичных интервалов. Но шаблон PRBS31 содержит более 2 млрд. UI. Поэтому захват всего шаблона представляется проблематичным. Кроме того, для захвата записи длиной 200 млн. точек требуются огромные вычислительные ресурсы и время. Один из способов решения этой проблемы заключается в обработке сигнала PRBS31 как сигнала произвольной формы и в захвате фрагментов умеренной длины от 2 до 10 млн. точек для восстановления тактовой частоты и обработки результатов. Это позволяет достичь удачного компромисса между вычислительной мощностью и точностью результатов.
Измерения TWDPc
Поскольку измерение TWDPc (оценка искажения электрического сигнала передатчика) дает множество подробной информации о состоянии устройства SFP+, его надо освоить в первую очередь. Это измерение требует применения специального алгоритма, определенного в спецификации SFP+.
Этот тест определяет меру ухудшения детерминированной дисперсии, вызванного конкретным передатчиком по отношению к моделируемому многомодовому оптоволоконному кабелю и приемнику с точно известными характеристиками. Концепция оптического волокна была расширена для оценки характеристик высокоскоростных медных соединений “10GSFP+Cu”.
Сценарий TWDPc (стандарт 802.3aq, 10GBASE-LRM) обрабатывает шаблон PRBS9, требуя не менее 16 выборок на единичный интервал. Учитывая большое число эксплуатируемых осциллографов эквивалентного времени с длиной записи около 4000 выборок, требование к 16 выборкам на единичный интервал было уменьшено до семи.
Смягчение требований с 16 выборок на единичный интервал до семи привело к тому, что число измерений TWDPc для наихудшего случая 0,24 дБ стало превышать 30. Для тестируемых устройств, уже имеющих высокий TWDP, значение 0,24 дБ может означать границу между положительным и отрицательным исходом разбраковки.
При захвате минимальных семи выборок на единичный интервал в ходе измерения TWDPc для выходных характеристик главного передатчика SFP+ по меди, необходима частота дискретизации более 70 Гвыб./с. Осциллографы реального времени, предлагающие более высокие частоты дискретизации – 100 Гвыб./с и больше – имеют значительно больше шансов получить точные результаты для TWDPc по сравнению с осциллографами с меньшей частотой дискретизации.
Во всех случаях для обеспечения необходимой точности измерений важно, чтобы скорость передачи данных сигнала SFP+ соответствовала полосе пропускания осциллографа. При скорости передачи данных 10,3125 Гвыб./с и минимальной длительности фронта 34 пс, для удовлетворения минимальных требований SFP+ необходим осциллограф с полосой пропускания не менее 16 ГГц. Как уже отмечалось, частота дискретизации тоже является важным фактором для измерения TWDPc.
Дополнительные измерения
Как показано в табл. 1, спецификация определяет 15 измерений, разбитых на три категории: электрические характеристики главного передатчика, джиттер главного передатчика, маска глаза и выходные характеристики главного передатчика по меди. Приведенные цифры дают полное представление о характеристиках.
| № | Измерение | Рекомендованный тип сигнала | Значение | |||
| Мин. | Ном. | Макс. | Ед. изм. | |||
| Входные электрические характеристики главного передатчика: | ||||||
| 1 | Диапазон выходного несимметричного напряжения | PRBS31 | -0,3 | 4 | В | |
| 2 | Синфазное выходное переменное напряжение (ср. кв.) | PRBS31 | 15 | мВ (ср. кв.) | ||
| Джиттер и маска глаза главного передатчика: | ||||||
| 3 | Длительность фронта/спада перекрестного сигнала (20-80 %) (Tr, Tf) | 8180 | 34 | пс | ||
| 4 | Амплитуда перекрестного сигнала (пик-пик, дифференциальный) | 8180 | 1000 | мВ | ||
| 5 | Длительность фронта/спада сигнала (20-80 %) (Tr, Tf) | 8180 | 34 | пс | ||
| 6 | Общий джиттер (пик-пик) (Tj) | PRBS31 | 0,28 | UI (пик-пик) | ||
| 7 | Джиттер, зависящий от данных (пик-пик) (DDJ) | PRBS9 | 0,1 | UI (пик-пик) | ||
| 8 | Сжатие импульса, зависящее от данных (пик-пик) (DDPWS) | PRBS9 | 0,055 | UI (пик-пик) | ||
| 9 | Некоррелированный джиттер (ср. кв.) (UJ) | PRBS9 | 0,023 | UI (пик-пик) | ||
| 10 | Qsq передатчика | 8180 | 50 | |||
| 11 | Коэффициент попадания в маску глаза (коэффициент попадания в маску 5х10-5) | PRBS31 | X1=0,12UI, X2=0,33UI, Y1=95 мВ, Y2=350 мВ | |||
| Выходные характеристики главного передатчика по меди (хост SFP+, поддерживающий непосредственно подключаемые кабели) | ||||||
| 12 | Амплитуда модулирующего напряжения (пик-пик) | 8180 | 300 | мВ | ||
| 13 | Синфазное напряжение выхода Qsd передатчика | 8180 | 63,1 | |||
| 14 | Синфазное выходное переменное напряжение | PRBS31 | 12 | мВ (ср. кв.) | ||
| 15 | TWDPc на выходе хоста | PRBS9 | 10,7 | dBe | ||
Таблица 1. 15 измерений, определенных для тестирования главного передатчика на соответствие стандарту.
И хотя для модуля передатчика нужно выполнять более 10 измерений, в табл. 2 перечисляются 10 самых важных измерений, необходимых для правильной оценки. Они разделены на две группы: входные электрические характеристики модуля передатчика и характеристики джиттера и маски глаза модуля передатчика.
| № | Измерение | Рекомендованный тип сигнала | Значение | |||
| Мин. | Ном. | Макс. | Ед. изм. | |||
| Входные электрические характеристики модуля передатчика: | ||||||
| 1 | Допуск на синфазное переменное напряжение | PRBS31 | 15 | мВ | ||
| 2 | Допуск на входное несимметричное напряжение | PRBS31 | -0,3 | 4 | В | |
| Джиттер и маска глаза модуля передатчика | ||||||
| 3 | Длительность фронта/спада перекрестного сигнала (20-80 %) (Tr, Tf) | 8180 | 34 | пс | ||
| 4 | Амплитуда перекрестного сигнала (пик-пик, дифференциальный) | 8180 | 1000 | мВ | ||
| 5 | Синфазное выходное переменное напряжение | PRBS31 | 0,15 | мВ (ср. кв.) | ||
| 6 | Общий джиттер (пик-пик) (Tj) | PRBS31 | 0,28 | UI (пик-пик) | ||
| 7 | Джиттер, зависящий от данных (пик-пик) (DDJ) | PRBS9 | 0,1 | UI (пик-пик) | ||
| 8 | Сжатие импульса, зависящее от данных (пик-пик) (DDPWS) | PRBS9 | 0,055 | UI (пик-пик) | ||
| 9 | Некоррелированный джиттер (ср. кв.) (UJ) | PRBS9 | 0,023 | UI (ср. кв.) | ||
| 10 | Коэффициент попадания в маску глаза (коэффициент попадания в маску 5х10-5) | PRBS31 | X1=0,12UI, X2=0,33UI, Y1=95 мВ, Y2=350 мВ | |||
Таблица 2. 10 наиболее важных измерений параметров модуля передатчика.
Автоматизация тестирования
Чтобы преодолеть проблемы тестирования и ускорить получение результата, производители контрольно-измерительного оборудования разработали решения, способные быстро выполнять все измерения SFP+, создавать отчеты и при необходимости обеспечивать доступ к режиму отладки.
Используя такое решение, инженер может выбрать все необходимые измерения и выполнить их, просто нажав кнопку запуска. В этом случае на выполнение последовательности из 15 измерений может уйти не несколько часов, а всего 15 минут. Кроме того, используемое программное обеспечение позволяет глубже проанализировать исходные причины проблем без помощи других приборов. К тому же, поддержка TWDPc позволяет обойтись без разработки собственных программ для выполнения этого сложного и длительного измерения.
ПО автоматизированного тестирования соответствует стандарту SFF-8431 версии 4.1, которая требует измерения дифференциальных сигналов, таких как 8180, PRBS9 и PRBS31. И хотя стандарты требуют, чтобы некоторые измерения, такие как некоррелированный джиттер и общий джиттер, выполнялись на сигналах PRBS31, вместо этого они также допускают применение сигнала PRBS9. Следовательно, важно, чтобы программа позволяла выбирать разные типы сигнала.
Также важно иметь доступ к сводным отчетам, как правило, в формате .mht, который является разновидностью формата HTML. Такой отчет должен содержать результаты всех измерений, включая подробную информацию об измерительной схеме, описание сигналов, графики и т.д. Полезна также подробная информация о схеме измерений, такая как данные калибровки, модель осциллографа, модель пробника, версия программного обеспечения и время выполнения. Эта информация помогает гарантировать согласованность и воспроизводимость теста.
Тестовая оснастка для хоста
Для обеспечения согласованных результатов и простоты подключения измерительной системы стандарт SFF-8431 определяет обязательное применение тестовой оснастки. Как показано на рис. 1, тестовая оснастка поставляется с DC блоком, поскольку спецификация определяет обязательное выполнение некоторых измерений с применением DC блоков. Одной из проблем было разъединение тестовой оснастки и тестируемого устройства, поскольку возникал риск повреждения тестовой оснастки. В таких случаях полезно использовать специальный разъединяющий механизм.
Рис. 1. Выпускается два варианта тестовой оснастки – одна с DC блоками и оконечной нагрузкой, а другая без них.
1. Разъем SFP+ (см. табл. 4)
2. Цветовой идентификатор дифференциальной пары (см. табл. 2 и 4)
3. Цветовой идентификатор полярности линии данных (см. табл. 4)
4. 4 разъема SMA для высокоскоростных сигналов
5. Разъем для низкоскоростных сигналов (см. табл. 3 и 4)
Тестовая оснастка для хоста является наиболее широко используемым типом оснастки. Она выпускается в двух вариантах: с DC блоком и оконечной нагрузкой или без них. Для выполнения измерений в полном соответствии со спецификациями рекомендуется использовать тестовую оснастку с DC блоком. Подобно тестовой оснастке для хоста, оснастка для тестирования модуля тоже выпускается в двух вариантах: с DC блоком и оконечной нагрузкой, а другой – без них.
Тестирование приемников
В отличие от тестирования передатчиков, в процессе которого разработчик должен убедиться в достаточном качестве входного сигнала, при тестировании приемников на них необходимо подавать сигнал достаточно низкого качества. Для этого создается сжатый глаз, представляющий сигнал наихудшего случая. Затем этот оптический сигнал калибруется с помощью измерения джиттера и оптической мощности.
Кроме того, электрический выход приемника нужно проверять с помощью трех базовых категорий тестов. Эти тесты включают тестирование по маске для обеспечения достаточно широкого открытия глаза, тестирование бюджета джиттера для выявления уровня джиттера разного типа и отслеживание отклонения джиттера для определения способности встроенной схемы восстановления тактовой частоты отслеживать джиттер в полосе захвата.
Тестирование передатчиков SFP+
Показанная на рис. 2 типовая схема тестирования содержит тестируемое устройство и источник сигнала, генерирующий все необходимые искажения. Решение SFP-TX, реализованное на основе осциллографов Tektronix, предлагает выпадающее меню, показанное на рис. 3, которое позволяет выбрать измерения для тестирования SFF-8431 SFP+. Маски, предельные значения и параметры измерения могут настраиваться автоматически. Кроме того, эта схема позволяет изменять выбранные измерения и их конфигурацию. После сборки испытательного стенда и подключения тестируемого устройства пользователь щелкает кнопку Пуск, и выполняется выбранный набор тестов. Программа предлагает пользователю переключить тестируемое устройство в определенные режимы, выводя через регулярные интервалы всплывающие сообщения.
Рис. 2. Типовая схема тестирования SFP+.
1. Передатчик EDC
2. Тестируемое устройство
3. Источник перекрестных помех
4. Полосковая линия
5. SFP + Плата
6. или сетевая карта
7. Перекрестные помехи
8. Цифровой осциллограф
Рис. 3. Интерфейс пользователя SFP-Tx позволяет настраивать и запускать тесты, выбирая их из меню.
По завершении цикла тестирования автоматически создается сводный отчет в формате .MHT (MHTML) с информацией о разбраковке типа «годен/не годен». Как показано на рис. 4, отчет включает информацию о конфигурации теста, развертки сигналов и анализ предельных значений, что позволяет глубже понять работу устройства.
Рис. 4. Отчет об испытаниях хоста SFP+ в формате MHTML включает информацию о конфигурации теста, развертки сигналов и анализ предельных значений.
Заключение
Хотя технология SFP+ существенно упрощает функциональность оптического модуля 10G, появляется целый ряд новых метрологических проблем. С ростом плотности портов SFP+ возникает потребность в автоматизации, вызванная продолжительным тестированием устройств с числом портов 48 и более на одну стойку. Другие проблемы включают потребность гладкого перехода от проверки на соответствие стандарту к отладке, потребность в специализированных тестовых оснастках и в применении осциллографов реального времени вместо осциллографов эквивалентного времени.
Одним из наиболее важных тестов SFP+ является оценка искажения электрического сигнала передатчика или TWDPc. Этот тест определен, как разность (в дБ) между опорным отношением сигнала к шуму (С/Ш) и эквивалентным С/Ш на входе ограничителя приемника эталонного эквалайзера для измеряемого сигнала после прохождения через исследуемый канал. Измерение TWDPc включает регистрацию сигнала передатчика и обработку его для расчета ухудшения сигнала на эталонном эквалайзере. Это измерение является обязательным для проверки SFP+ на соответствие стандарту, но выполнение этого измерения без соответствующих инструментов и инструкций может оказаться весьма непростым.
Сложность тестирования и отладки SFP+ можно существенно снизить за счет автоматизации большей части повторяющихся тестов, необходимых для измерения и анализа параметров модулей. Маски глазковых диаграмм, предельные значения и набор параметров измерений могут настраиваться автоматически, тогда как пользователь может изменять определенные измерения и условия их выполнения. Программное обеспечение с такими возможностями может использоваться в совокупности с оборудованием для тестирования физического уровня, включая осциллографы и специальную тестовую оснастку для проверки полупроводниковых приборов, кабелей и разъемов, для отладки и тестирования на соответствие стандарту, а также для производственного тестирования.
