采用了 100G 標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)中心仍在向 200G / 400G 升級，升級的原因與流量的持續(xù)增長有關(guān)，未來的數(shù)據(jù)中心和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施將支持紛繁復(fù)雜的大流量應(yīng)用諸如超高清視頻流，新視頻游戲和虛擬現(xiàn)實(shí)內(nèi)容，人工智能，無人駕駛和移動5G網(wǎng)絡(luò)等功能。
大數(shù)據(jù)傳輸從100G跨越到200G、400G時(shí)代時(shí),
底層信號也從NRZ(0,1)兩電平過渡,
進(jìn)入PAM4(0, 1, 2, 3)四電平信號。
近年來江湖中常常會聽到TDECQ這個拗口的詞,
顯然它與PAM4有著密不可分的關(guān)系。
但是冗長的名字，復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型,
總讓它和大家有著神秘的距離感,
因此常常有小伙伴問小K：
傳說中的這個TDECQ，它到底是個啥?。?/p>
本文內(nèi)容簡介
1. TDECQ的“前世”—— TDP和TDEC
2. TDECQ的誕生和測試
我們先來看看官方的稱呼和解釋：
TDECQ
全稱是Transmitter and Dispersion Eye Closure for PAM4 (發(fā)射機(jī)色散眼圖閉合代價(jià))，它是衡量PAM4光信號質(zhì)量的非常重要的一個參數(shù)。
名字中有眼圖，看起來好像很親切很熟悉，可是TDECQ還真跟眼圖沒啥關(guān)系。
由于IEEE802.3bs/cd規(guī)范里面對于PAM4光接口的指標(biāo)取消了模板余量（Mask margin），即我們熟悉的眼圖測試，取而代之TDECQ變成了無論生產(chǎn)還是研發(fā)都必測的一個參數(shù)。
所以究竟什么是TDECQ？
這還要從它的“前世”說起，但在開篇之前，你還是要有一個初步的概念，文中提到的TDP, TDEC和TDECQ既然是彼此的前世今生，其實(shí)實(shí)質(zhì)上還是一個東西即它們所代表的物理意義是一樣的，即兩種狀態(tài)下靈敏度的差值：理想?yún)⒖及l(fā)射機(jī)的靈敏度與被測發(fā)射機(jī)及光鏈路情況下的靈敏度差值。
/ 一 /
TDECQ的“前世”——TDP和TDEC
為了更好的理解TDECQ的物理含義，我們要先回顧一下TDP和TDEC。
1.TDP
(Transmitter and Dispersion Penalty)
TDP 的官方稱呼和解釋是：
TDP（Transmitter and Dispersion Penalty發(fā)射機(jī)色散代價(jià)）最早出現(xiàn)于2002年發(fā)布的IEEE802.3ae中針對10GBase-SR/LR/ER的發(fā)射機(jī)指標(biāo)規(guī)范中，后續(xù)的IEEE802.3的各章節(jié)規(guī)范包括100GBase-LR4/ER4等都延用了這一參數(shù)。
那為什么標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中一直有TDP這個參數(shù)，然而大家卻很少測試它甚至都很少聽說過它呢？
簡單回答這個問題的話，你可以理解為雖然TDP從物理含義上是最能直觀反映光發(fā)射機(jī)性能如何的一個參數(shù)，但從測試角度來看進(jìn)行TDP測試的難度很大。
舉個登山的例子來講可能你會更清楚一點(diǎn)：
在我們前行的道路上, 會不斷遇到高山擋住去路，要想繼續(xù)往前走，只能選擇要么繞著走，要不就大膽的翻過去。如果能繞道走，當(dāng)然最好是繞道走，雖然登頂后站在巔峰可以一覽眾山小，這個道理咱們都明白，但是難度也大啊，這正如TDP測試，在NRZ時(shí)代，雖然大家都明白這個測試參數(shù)更能反映真實(shí)的光發(fā)射機(jī)性能，但是實(shí)現(xiàn)此測試的難度卻非常大。
可是搭建測試的難度有多大呢，可以從規(guī)范要求的「TDP搭建框圖」了解一下：
下圖1是IEEE802.3規(guī)范中對于「TDP的搭建框圖」：
圖1 IEEE802.3規(guī)范中對于TDP的測試框圖
「TDP的測試流程」如下：
A 對于一個理想的參考發(fā)射機(jī)(圖1 中的Reference Transmitter)，利用光衰減器(Optical Attenuator)、參考接收機(jī)(Reference Receiver)、誤碼儀(BERT)等進(jìn)行誤碼率在1e-12下的靈敏度的測試，記錄這時(shí)的靈敏度即最小功率，P0 ；
B 用被測光發(fā)射機(jī)(DUT)替代前面的參考發(fā)射機(jī)，并且在鏈路中加入光纖、偏振控制器、光分路器、光反射計(jì)等，目的是使得光鏈路的色散、插入損耗和回波損耗滿足以下表格要求:
表1
C 在此光鏈路的基礎(chǔ)上，用和步驟A相同的參考接收機(jī)和誤碼儀再次進(jìn)行誤碼率在1e-12 下的靈敏度的測試，記錄這時(shí)的靈敏度PDUT ；
D 最后計(jì)算TDP = PDUT - P0。
從上面流程可以看出，TDP就是兩種情況下的靈敏度的差值：
? 一個是理想?yún)⒖及l(fā)射機(jī)的靈敏度，
? 另一個是被測發(fā)射機(jī)+光鏈路情況下的靈敏度。
所以從物理含義上說，TDP非常清晰直觀。
但另一方面，從上面的流程也可以看出測試上有許多“坑”，也就是為啥這個指標(biāo)這么好大家卻都不用它的原因是：
如何找到理想?yún)⒖及l(fā)射機(jī)？
IEEE802.3規(guī)范的確對理想?yún)⒖及l(fā)射機(jī)的基本參數(shù)進(jìn)行了規(guī)定，但現(xiàn)實(shí)當(dāng)中即使用儀表級別的參考發(fā)射機(jī)都很難保證同時(shí)滿足所有要求。
如何構(gòu)建滿足要求的光鏈路？
該光鏈路看起來就比較復(fù)雜，完全滿足色散、損耗、回波損耗就不是一件容易的事情。
需要測試1e-12下的靈敏度，就只能用誤碼儀了，但這會增加儀表成本，需要的測試時(shí)間也不短。
例如，要達(dá)到95%的置信度的話，對于10Gbps的誤碼率的測試，需要十幾分鐘才能測試到1e-12的水平。
總之，TDP看起來很美好，但測試起來就頭大，所以有條件有勇氣攀登TDP這座大山的人就少之又少了，既然翻不過去，就要想辦法看看能否繞過去，在實(shí)際測試中，大家更喜歡用另一個參數(shù)——「模板余量」(mask margin)來作為評估光發(fā)射機(jī)的性能指標(biāo)之一。模板余量雖然測試簡單，但標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議并沒有規(guī)定具體余量的要求，只能是業(yè)內(nèi)自行協(xié)商了。
但也正是由于TDP完美又直觀的物理含義，人們依舊沒有放棄對它的追求，依然在尋找將其實(shí)用化的機(jī)會。所謂無限風(fēng)光在險(xiǎn)峰，登山為什么要登頂呢？因?yàn)橹挥姓驹趲p峰，才能看到更為廣闊的天地。
2.TDEC
(Transmitter and Dispersion Eye Closure)
隨著100G-SR4的出現(xiàn)，這個機(jī)會出現(xiàn)在了2015年發(fā)布的 IEEE802.3bm 的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中，只不過這一次，人們?yōu)榱诉M(jìn)行區(qū)別，換了一個名字，叫
TDEC (Transmitter and Dispersion Eye Closure)。
這時(shí)候，標(biāo)準(zhǔn)的要求發(fā)生了一些變化，帶來了新的契機(jī)，具體是對誤碼率的要求有了變化，看樣子是要迎來TDEC、TDP的春天了。
在100G-SR4中，光鏈路不再是要求無誤碼傳輸，而是可以容忍5e-5的誤碼率，當(dāng)然最終是通過FEC(前向糾錯碼)技術(shù)來保證整個系統(tǒng)的光傳輸性能。這里不考慮FEC的問題，所以可以認(rèn)為5e-5誤碼率是IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)對于100G-SR4的要求。
為什么說光鏈路誤碼率從1e-12變成了5e-5后就迎來了TDP（這里應(yīng)該叫TDEC）的春天了呢？
那是因?yàn)橐獪y試到1e-12水平的誤碼率，至少要比較1e-13數(shù)量級的比特?cái)?shù)目，示波器無法短時(shí)間采集到這么多數(shù)據(jù)因此無能為力，只能依靠誤碼儀；而對于5e-5的誤碼率，示波器只需要采集到1e6數(shù)量級(1M級別)的點(diǎn)數(shù)就可以了，這是在短時(shí)間內(nèi)很容易做到的，所以就不需要誤碼儀了，一臺采樣示波器就可以進(jìn)行測試了。
當(dāng)然，還需要解決的問題是如何獲取理想的參考發(fā)射機(jī)？
這一次人們極大的發(fā)揮了自己的聰明才智，創(chuàng)造了一系列算法，用數(shù)學(xué)的方式來構(gòu)建理想的參考發(fā)射機(jī)模型，所有的測試過程都依靠算法，這樣就極大簡化了測試環(huán)境的搭建。
「TDEC的測試框圖」如下圖2所示：
圖2 TDEC的測試框圖
? 和之前的TDP框圖比較來看，已經(jīng)簡化了許多，圖中的Optical spliiter+Variable reflector也還是為了達(dá)到一定的回波損耗要求；
? 圖中沒有顯示多模光纖，那是不是不考慮色散的影響了呢？其實(shí)不然。人們已經(jīng)把多模光纖的模間色散的影響折算成了帶寬的代價(jià)，
? 這里要注意的是TDEC是只針對SR4標(biāo)準(zhǔn)，所以對于100G-SR4的TDEC的測試，一般測試25G信號測試濾波器帶寬不是傳統(tǒng)的19.3GHz，而是變成了12.6GHz。
下面具體說明一下「TDEC是如何得到的」？
A 對于于進(jìn)入示波器的光信號，在圖3的藍(lán)色方框區(qū)域（0.4UI和0.6UI，每個方框?qū)挾?.04UI）畫直方圖，該區(qū)域也是標(biāo)準(zhǔn)中指定的測試TDEC的區(qū)域。假設(shè)該區(qū)域內(nèi)的計(jì)算的誤碼率BER不高于目標(biāo)誤碼率5e-5。
圖3
B 利用算法給該區(qū)域內(nèi)的信號加入噪聲來引入誤碼，一直加噪聲到誤碼率達(dá)到5e-5為止，例如下圖4的紅色標(biāo)識。
圖4
C 示波器內(nèi)部根據(jù)前面輸入信號的幅度和周期構(gòu)造理想信號模型，并在該理想信號的相同區(qū)域用算法加入噪聲，直至誤碼率達(dá)到5e-5為止，如下圖5綠色標(biāo)識。
圖5
D 最后將綠色代表的加入噪聲和之前紅色代表的加入噪聲進(jìn)行比值，取dB單位，就得到了TDEC，如圖6。
圖6
從上面的流程可以看出，TDEC的測試就非常簡單了，儀表方面只需要一個采樣示波器就可以（當(dāng)然完全按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范還需要CDR），并且測試速度很快，只需要2s左右即可完成。
到此為止，TDEC是一個兼具完美直觀的物理含義和簡單測試方法的參數(shù)，然而由于100G-SR4測試中模板余量的存在，人們依然習(xí)慣了模板的測試，而使得TDEC的存在感還是比較低。但是，這為后面的TDECQ的誕生打下了一個堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
/ 二 /
TDECQ的誕生和測試
從NRZ信號到PAM4信號的轉(zhuǎn)變，絕不是簡單的量變，而是一個質(zhì)的變化。
因?yàn)镻AM4信號格式的特點(diǎn)，帶來了測試參數(shù)和測試方法的巨大變革，這里不再贅述PAM4的特點(diǎn)和測試挑戰(zhàn)，而聚焦于一個問題：以前NRZ時(shí)代大家常用的模板余量測試，在PAM4時(shí)代還適用嗎？不適用的話又如何替代？
這不是一個那么容易的問題，即使IEEE802.3協(xié)會也花了好幾年的時(shí)間才逐漸找到了答案并還在不斷完善之中。我們無需重復(fù)過往的摸索階段，只需要跟上時(shí)代的變化，了解它的最新進(jìn)展情況即可。
首先在所有目前的公開標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中，一個共識是模板余量已經(jīng)不再適合PAM4的測試，這時(shí)候在我們面前的這座大山，繞無可繞，只能翻過去，需要用新的參數(shù)來表征發(fā)射機(jī)的性能。
這個新的參數(shù)就是TDECQ (Transmitter and Dispersion Eye Closure for PAM4) 。
1.偉大的誕生
2 2
為什么是TDECQ?
那是因?yàn)閺奈锢砩蟻碚f，衡量一個光發(fā)射機(jī)性能的最直接的參數(shù)就是前面提到的TDP，無論是NRZ的發(fā)射機(jī)還是PAM4的發(fā)射機(jī)?？磥鞹DP還是最受標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會組織青睞的參數(shù)啊。為了以示區(qū)別，對于PAM4而言，就改名叫TDECQ了，Q是四電平Quaternary的首字母。所以TDECQ的物理含義和TDP一模一樣，就不再重復(fù)說明了。
TDECQ的計(jì)算方法呢？
顯然和前面的TDEC也是類似的。下圖7是IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)組織對于「TDECQ的測試框圖」：
圖7 IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)組織對于TDECQ的測試框圖
看起來是不是很眼熟？和TDEC的幾乎一樣。只不過：
? 對于單模信號而言，還是需要在鏈路中增加光纖以滿足損耗和色散的要求；
? 對于多模而言，就可以省去光纖了。
2.TDECQ的測試
2 2
先回顧一下TDECQ的兩個測試前提：測試碼型和測試接收機(jī)。
IEEE802.3bs對于PAM4信號的測試碼型要求如表2：
表2 IEEE802.3bs對于PAM4信號的測試碼型要求
其中：
PRBS13Q
是由兩段PRBS13碼型進(jìn)行格雷編碼（0-00，1-01，2-11，3-10）后得到的長度為8191的四電平碼型，可用來進(jìn)行發(fā)射機(jī)的ER/OMA的測試；
PRBS31Q
同樣是由兩段PRBS31碼型進(jìn)行格雷編碼（0-00，1-01，2-11，3-10）后得到的長度為231-1 的四電平碼型，注意該碼型只用來進(jìn)行PAM4系統(tǒng)靈敏度的測試；
SSPRQ (Short Stress Pattern Random Quaternary)
完全是人為構(gòu)造的新的碼型，是從傳統(tǒng)的PRBS31碼型里面選取4段對于發(fā)射機(jī)壓力比較大的碼型進(jìn)行拼接編碼而成，長度是216-1，其好處是既可以對被測發(fā)射機(jī)施加足夠的壓力從而更加接近測試其在真實(shí)業(yè)務(wù)下的性能，又具有短碼型的特征，從而使得采樣示波器可以捕獲整個碼型進(jìn)行均衡等信號處理了。SSPRQ是進(jìn)行TDECQ測試的碼型。
對于PAM4光信號的測試（包括TDECQ等參數(shù)），IEEE802.3bs規(guī)范要求測試儀表的參考接收機(jī)必須滿足兩個要求：
a. 理想的四階貝塞爾-湯姆遜低通濾波頻響；
b. 該低通濾波頻響的3dB帶寬是被測信號符號率的一半(13.28GHz for 26.56GBaud, 26.56GHz for 53.125GBaud)。
注意：對于多模26.56GBaud PAM4光信號測試，帶寬變?yōu)?1.2GHz。
測試碼型和測試接收機(jī)確定了以后，我們繼續(xù)來看「TDECQ的測試」。
TDECQ的測試?yán)锩妫瑢τ贑DR的要求是環(huán)路帶寬4MHz, slope 20dB/dec, 1st order, no peaking。
圖8
和NRZ不同的是，由于PAM4信號本身的復(fù)雜性，需要在信號接收端使用均衡器來張開眼圖，所以，TDECQ的測試儀表中需要均衡器(reference equalizer)，標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)規(guī)定了均衡器是5 tap/T spaced的FFE均衡器，但均衡器的具體系數(shù)則是軟件算法根據(jù)輸入的信號來確定。
在嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范測試中，是需要根據(jù)TDECQ的測試框圖搭建光鏈路進(jìn)行的，但在實(shí)際的PAM4生產(chǎn)測試中搭建如此復(fù)雜的光鏈路顯然是不切實(shí)際的，所以很多情況下人們省略了光纖鏈路而直接測試光發(fā)射機(jī)輸出信號的TDECQ。
「TDECQ的測試流程」和前面描述的TDEC是一樣的：
A 對于進(jìn)入示波器的光信號，在圖9的藍(lán)色方框區(qū)域 (0.45UI和0.55UI，每個方框?qū)挾?.04UI，為方便起見，只顯示一半) 畫直方圖，該區(qū)域也是標(biāo)準(zhǔn)中指定的測試TDECQ的區(qū)域。假設(shè)該區(qū)域內(nèi)的計(jì)算的誤符號率SER不高于規(guī)范要求的目標(biāo)誤符號率4.8e-4。
圖9
B 利用算法給該區(qū)域內(nèi)的信號加入噪聲來引入誤碼，一直加噪聲到誤碼率達(dá)到4.8e-4，為止，例如下圖10的紅色標(biāo)識。
圖10
C 示波器內(nèi)部根據(jù)前面輸入信號的幅度和周期構(gòu)造理想信號模型（虛擬理想發(fā)射機(jī)），并在該理想信號的相同區(qū)域用算法加入噪聲，直至誤碼率達(dá)到4.8e-4為止，如下圖11深藍(lán)色虛線標(biāo)識。
圖11
D 最后將深藍(lán)色代表的加入噪聲和之前紅色代表的加入噪聲進(jìn)行比值，取dB單位，就得到了TDECQ，如下圖。
圖12
注意：如果被測信號（經(jīng)過均衡后）的誤符號率SER高于4.8e-4，是不能繼續(xù)進(jìn)行TDECQ的計(jì)算的，這時(shí)候就要想辦法先提高被測信號的質(zhì)量。
從這個流程可以看出，TDECQ的計(jì)算過程是直截了當(dāng)容易理解的，并且基本都靠算法實(shí)現(xiàn)，和TDP測試項(xiàng)目相比，大大減少了儀表的投入和測試時(shí)間的花費(fèi)。
然而，正是由于TDECQ的測試主要依靠算法實(shí)現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)組織也在不斷的優(yōu)化算法，優(yōu)化TDECQ的測試結(jié)果，從而使得該項(xiàng)測試和真實(shí)PAM4系統(tǒng)環(huán)境盡量保持一致。所以，從IEEE802.3bs到IEEE802.3cd，都在算法設(shè)置層面進(jìn)行了優(yōu)化。
◆ 例如，上面藍(lán)色方框的的區(qū)域不局限于0.45UI和0.55UI，只要滿足兩個方框間隔0.1UI，各自寬度0.04UI即可（IEEE802.3bs增加的）；
◆ 又如，判斷閾值電平可以允許在理想位置的基礎(chǔ)上有1% OMA的波動區(qū)間（IEEE802.3cd增加的）。標(biāo)準(zhǔn)組織優(yōu)化TDECQ的工作并沒有停止，可能會在將來的其他規(guī)范中進(jìn)行補(bǔ)充。所以說跟上時(shí)代標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展潮流是進(jìn)行規(guī)范測試的必要條件啊。
最后上一張「TDECQ的測試方案框圖」，如圖13所示：
圖13
Keysight可以提供業(yè)界最符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的TDECQ測試方案（N1092系列+N1077/8A系列及N1092A/B 內(nèi)置CDR系列）
藍(lán)色的是均衡器之前的PAM4信號
黃色的是均衡器之后的PAM4信號