400G的光模塊普遍采用了PAM4(4-level Pulse Amplitude Modulation：4電平脈沖幅度調(diào)制)的信號調(diào)制技術(shù)，即采用4個不同的信號電平來進(jìn)行信號傳輸，每個符號周期可以表示2個bit的邏輯信息(0、1、2、3)。

因此，要實現(xiàn)同樣的信號傳輸能力，PAM4信號的符號速率只需要達(dá)到NRZ信號的一半即可，傳輸通道對其造成的損耗大大減小，但付出的代價是信噪比會比NRZ信號惡化很多，測量方法也會有比較大的差異。下圖是典型的NRZ信號的波形、眼圖與PAM4信號的對比。

對于400G光模塊來說，其主要的高速接口包含電輸入接口、光輸出接口、光輸入接口、電輸出接口，以及其它的電源和低速管理接口。因此，對于400G光模塊的電氣性能驗證來說，其主要測試項目分為光口發(fā)射機指標(biāo)、光口接收機容限、電口發(fā)射機指標(biāo)、電口接收機容限、系統(tǒng)測試。

發(fā)射機測試：光發(fā)射機、電發(fā)射機電氣特性測試環(huán)境如下。

發(fā)射機的測量項目又分為光發(fā)射機的測量項目和電發(fā)射機的測量項目，主要用于驗證光口及電口輸出信號的質(zhì)量。

光發(fā)射機測試方法

主要用于驗證被測光模塊發(fā)出光信號的質(zhì)量。測試方法如下：被測光模塊插在MCB夾具上，上電并配置正常工作;誤碼儀產(chǎn)生PAM4電激勵信號送給光模塊一路電輸入端，使得被測光模塊輸出SSPRQ的光信號，模塊的相鄰電通道上輸入PAM4的串?dāng)_信號。輸出光信號經(jīng)時鐘恢復(fù)進(jìn)采樣示波器進(jìn)行光發(fā)射機參數(shù)測試。更換其它通道依次測量所有通道光發(fā)射機指標(biāo)。

TDECQ (Transmitter and dispersion eye closure for PAM4)即發(fā)射機色散眼圖閉合代價，是衡量光發(fā)射機經(jīng)過一個典型的光通道后PAM4信號功率裕量的損失。正常用于光信號傳輸?shù)募す馄鞫加幸欢ǖ淖V線寬度，經(jīng)過一段距離傳輸后，色散效應(yīng)就會造成信號中不同波長成分的傳輸時延的變化。這些不同傳輸時延的信號在接收端疊加在一起就會造成信號質(zhì)量的惡化，從而導(dǎo)致接收端的靈敏度下降。

在10G以太網(wǎng)IEEE 802.3ae標(biāo)準(zhǔn)里，這個指標(biāo)定義為TDP (Transmitter and Dispersion Penalty) ;在100G以太網(wǎng)IEEE 802.3bm標(biāo)準(zhǔn)里，這個指標(biāo)定義為TDEC(Transmitter and Dispersion Eye Closure) ;而在針對200G/400G以太網(wǎng)IEEE 802.3bs標(biāo)準(zhǔn)里，這個指標(biāo)就是TDECQ(Transmitter and dispersion eye closure for PAM4)。

TDECQ通常用dB表示，對于PAM4信號來說，TDECQ值越小，表示這個信號相對于理想信號的功率裕量損失越小，或者說能在光纖里傳輸更遠(yuǎn)的距離。根據(jù)802.3bs里的定義，TDECQ的參考測試方法如下圖所示：

在測試中，被測件產(chǎn)生SSPRQ碼型的光信號，然后經(jīng)過測試光纖進(jìn)行傳輸。被測信號經(jīng)光纖傳輸后進(jìn)入測量用的采樣示波器，采樣示波器一方面通過符合規(guī)范的CRU(Clock Data Recovery)電路進(jìn)行時鐘恢復(fù)，另一方面把被測光信號經(jīng)過參考濾波器后進(jìn)行采樣。采樣后的波形要進(jìn)行5階FFE的信號均衡，然后以CRU恢復(fù)時鐘為基準(zhǔn)形成PAM4信號眼圖。

眼圖形成以后，再根據(jù)信號眼圖的光調(diào)制幅度(OMA)、信號幅度噪聲(R)、以及和誤碼率要求對應(yīng)的外推系數(shù)(Qt)根據(jù)公式計算TDECQ的值。

下圖是在采樣示波器里對均衡后光信號的參數(shù)進(jìn)行OMA、ER、TDECQ等參數(shù)測試的例子。我們可以看到，盡管很多測量參數(shù)的定義非常繁瑣，但基于示波器里的PAM4測量選件，使用者不需要繁瑣的操作，就可以快速得到需要的測量結(jié)果。

電發(fā)射機測試方法

主要用于驗證被測光模塊電口輸出的質(zhì)量。測試方法如下：被測光模塊插在MCB夾具上，上電并配置正常工作;誤碼儀產(chǎn)生PAM4電激勵信號送給光模塊一路電輸入端，光模塊相鄰電通道上輸入PAM4的串?dāng)_信號。輸出光信號環(huán)回到光接收機，并測試其電通道輸出的PRBS13Q信號參數(shù)。

眼高(Eye Height)和眼寬(Eye Width)是400G光模塊電信號質(zhì)量測試的重要參數(shù)。在IEEE 802.3bs規(guī)范中，定義眼圖測試時使用PRBS13Q的PAM4碼型。被測點輸出的信號經(jīng)過參考均衡器和時鐘恢復(fù)后疊加形成眼圖。因此，合適帶寬的示波器、正確的均衡器以及可靠的時鐘恢復(fù)對于PAM4信號的眼圖測試至關(guān)重要。而對于Module輸出端的測試來說，還需要模擬出信號經(jīng)過Host內(nèi)部走線損耗對于信號的影響，所以測試中示波器還需要在捕獲到的信號上疊加上約6.4dB的傳輸通道損耗。

由于PAM4信號會形成3層眼圖，所以對每層眼圖要分別測量。在IEEE 802.3bs規(guī)范里，定義以中間層眼圖的中心位置為參考點計算眼高和眼寬。在測試過程中要更換不同的均衡器的值，并根據(jù)信號的噪聲和抖動概率分布來計算等效的眼高和眼寬，這是一個非常復(fù)雜的計算過程，這里不做具體論述。

接收機及誤碼率測試

發(fā)射機的測試項目主要用于保證光模塊的光口和電口輸出信號的質(zhì)量。嚴(yán)格來說，還需要驗證光模塊的光口和電口接收信號的能力。

光模塊接收到的光信號通常經(jīng)過很長距離的光纖傳輸，接收到的光信號上可能疊加了各種抖動和噪聲，所以光接收機測試可以用于驗證被測光模塊對于惡劣光信號的容忍能力。

同時，光模塊需要從電口接收交換機或服務(wù)器發(fā)送過來的電信號并轉(zhuǎn)成光信號發(fā)出去。由于電信號經(jīng)PCB、連接器傳輸會產(chǎn)生較大的損耗和發(fā)射，所以電接收機測試項目可以驗證被測光模塊對于惡劣電信號的容忍能力。

光接收機測試方法

IEEE 802.3bs規(guī)范中對于光接收機的壓力容限測試方法描述如下：通過參考的PAM4信號源與抖動、噪聲、碼間干擾注入源，以及參考的光發(fā)射機產(chǎn)生所需的光壓力信號。

對光壓力信號由外圍消光比OER，外光調(diào)制幅度OOMA和壓力眼圖閉合代價SECQ來表征。PAM4光壓力信號首先由一個參考光接收機進(jìn)行校準(zhǔn)，以確保其參數(shù)符合規(guī)范要求。這個接收機包含符合規(guī)范要求的理想4階貝塞爾-湯姆遜低通濾波器，規(guī)范要求的FIR均衡器以及時鐘恢復(fù)功能。

校準(zhǔn)后的光壓力信號輸入被測接收機的一個通道，被測接收機其余通道輸入正常通信的光信號。最后由被測光模塊環(huán)回電信號到誤碼儀的誤碼檢測口，或通過接收機內(nèi)部的誤碼統(tǒng)計功能進(jìn)行誤碼和壓力靈敏度等測試。下圖是400G-DR4光模塊的光壓力眼圖測試框圖，以及各部分對應(yīng)的測試儀表。

電接收機測試方法

IEEE 802.3bs規(guī)范中對于光模塊的電輸入口的壓力容限測試方法描述如下：通過參考電發(fā)射機(通常是碼型發(fā)生器)以及抖動注入源、碼間干擾源和串?dāng)_源，將壓力電信號輸入MCB夾具。之后將參考接收機(通常是示波器)通過HCB夾具與MCB夾具連接在一起，對壓力電信號進(jìn)行校準(zhǔn)。

參考接收機包含符合規(guī)范要求的理想4階貝塞爾-湯姆遜濾波器，規(guī)范要求的CTLE均衡器以及時鐘恢復(fù)功能。PAM4電壓力信號由眼圖對稱模板寬度ESMW，眼寬EW，眼高EH和附加正弦抖動SJ的頻率和幅度來表征。經(jīng)過校準(zhǔn)的電壓力信號接入被測模塊電輸入口被測通道，并由模塊內(nèi)的FEC誤碼檢測功能進(jìn)行誤碼與接收容限測試，或?qū)⑿盘柇h(huán)回輸出至外部的誤碼分析儀進(jìn)行分析。

系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試的主要目的是驗證被測光模塊配合交換機工作時，在真實的業(yè)務(wù)流量情況下的誤碼率以及錯誤容忍能力。400G的光模塊普遍采用了PAM4(4電平調(diào)制)技術(shù)，雖然減少了高速信號傳輸需要的帶寬，但由于信噪比的惡化，使得其原始誤碼率很難達(dá)到傳統(tǒng)2電平調(diào)制時1e-12的水平，所以其原始誤碼率的要求比較低，比如IEEE 802.3bs中對于光口誤碼率的要求僅僅為2.4e-4。

很多通信過程在這么高的誤碼率情況下是無法正常工作的，所以FEC(前向糾錯)技術(shù)被普遍采用。FEC是通過在數(shù)據(jù)塊里插入一些冗余的校驗bit，可以對隨機產(chǎn)生的錯誤bit進(jìn)行修正，從而保證最終數(shù)據(jù)包的丟包率在可以接受的范圍之內(nèi)(<6.2e-11)。

因此，系統(tǒng)測試中需要對光模塊的原始誤碼率以及經(jīng)過FEC修正后的丟包率都進(jìn)行測試，并驗證在出現(xiàn)已定隨機錯誤符號或者頻率偏差時系統(tǒng)性能是否受到影響。典型的系統(tǒng)測試環(huán)境如下：

其測試方法如下：在數(shù)據(jù)流量測試儀上發(fā)送64字節(jié)長度連續(xù)數(shù)據(jù)幀，F(xiàn)EC修正前的BER值應(yīng)小于2.4e-4;在流量測試儀上運行以太網(wǎng)流量測試軟件，并發(fā)送64字節(jié)長度、100%線速率的數(shù)據(jù)幀，累積至少1e+12個數(shù)據(jù)幀后，讀取端口的Frame Loss Ratio值應(yīng)小于6.2e-11;在流量測試儀上進(jìn)行FEC后單個或多個(<15個)的誤碼注入，并驗證經(jīng)FEC后的誤包率滿足802.3bs的規(guī)范要求;在流量測試儀上對速率進(jìn)行100ppm的調(diào)整，并驗證誤碼率和誤包率滿足802.3bs的規(guī)范要求。

下圖是進(jìn)行FEC修正前的誤碼率及FEC修正后的丟包率測試的例子。