【儀測高下】224Gbps高速線纜測試方案

01.

高速傳輸速率發(fā)展歷程

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標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)

IEEE 802.3系列標(biāo)準(zhǔn)作為以太網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)，近年來不斷推動(dòng)著數(shù)據(jù)傳輸速率的提升。從2010年代的100Gbps（802.3bj）和200Gbps（802.3cd），到2020年代的400Gbps（802.3ck）乃至當(dāng)今的1.6Tbps（802.3dj），以太網(wǎng)技術(shù)經(jīng)歷了飛速的發(fā)展，目前IEEE 802.3dj單通道支持的最大速率超過200Gbps。與此同時(shí)，調(diào)制技術(shù)也從傳統(tǒng)的NRZ（非歸零碼）向PAM4（四電平脈沖幅度調(diào)制）轉(zhuǎn)變，這一轉(zhuǎn)變使頻譜效率提升了一倍，為未來實(shí)現(xiàn)更高的速率傳輸提供了可能。

OIF（Optical Internetworking Forum）的CEI框架同樣在推動(dòng)著高速互連技術(shù)的發(fā)展。從CEI-56G到CEI-112G，再到CEI-224G，這些標(biāo)準(zhǔn)不僅支持了單通道224Gbps的速率，還面向芯片至光引擎（D2OE）、背板及銅纜互連等多種應(yīng)用場景，為高速互連技術(shù)的發(fā)展提供了有力的支撐。

InfiniBand（無限帶寬，縮寫為IB）是另一個(gè)用于高性能計(jì)算的電腦網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)，它具有極高的吞吐量和極低的延遲，用于電腦與電腦之間的數(shù)據(jù)互連，也用作高速存儲(chǔ)系統(tǒng)之間的互連。最新推出的Infiniband XDR互連產(chǎn)品的單通道速率高達(dá)200Gbps，同樣也采用PAM4編碼調(diào)制技術(shù)。

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技術(shù)驅(qū)動(dòng)因素

AI與5G/6G技術(shù)的快速發(fā)展，對數(shù)據(jù)傳輸速率提出了更高的要求。AI大模型的訓(xùn)練與推理、5G基站回傳等場景，都需要高速、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸支持。此外，隨著數(shù)據(jù)中心規(guī)模的擴(kuò)大，對800G/1.6T以太網(wǎng)的支持也成為必然。同時(shí)，高密度SerDes設(shè)計(jì)在追求更高傳輸速率的同時(shí)，也需要兼顧功耗效率，以實(shí)現(xiàn)綠色、節(jié)能的數(shù)據(jù)中心運(yùn)營。

02.

224Gbps技術(shù)背景與應(yīng)用場景

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技術(shù)背景

由于PAM4調(diào)制技術(shù)的引入，高速信道在112 GBd波特率下實(shí)現(xiàn)了224Gbps的傳輸速率。然而，這一轉(zhuǎn)變也對傳輸信號(hào)的信噪比（SNR）提出了更高的要求。相較于NRZ調(diào)制，PAM4的SNR需求提升了9.5 dB。為了提升糾錯(cuò)能力，低密度奇偶校驗(yàn)碼（LDPC）與級(jí)聯(lián)編碼（如RS+Hamming編碼）等技術(shù)被廣泛應(yīng)用。

在材料與工藝方面，高頻低損耗PCB基材（如Dk≤3.5，Df≤0.003）的推出以及高頻連接器（如1.85 mm同軸接口）的廣泛應(yīng)用，為224Gbps傳輸速率的實(shí)現(xiàn)提供了有力的保障。

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典型應(yīng)用場景

224Gbps高速互連的應(yīng)用場景非常廣泛，包括但不限于芯片至光引擎（D2OE）封裝基板走線、背板互連高速PCB和高速無源銅纜、機(jī)架內(nèi)互連高速有源銅纜（AEC）以及數(shù)據(jù)中心光模塊（如OSFP可插拔模塊）。在這些場景中，對傳輸介質(zhì)的性能、傳輸距離以及關(guān)鍵要求都有著嚴(yán)格的規(guī)定，以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。

03.

224Gbps高速線纜測試關(guān)鍵指標(biāo)

高速線纜的測試指標(biāo)主要由常規(guī)指標(biāo)和部分后處理指標(biāo)組成。常規(guī)指標(biāo)分為頻域指標(biāo)和時(shí)域指標(biāo)，其結(jié)果可由VNA直接測量得到。后處理指標(biāo)，通過對VNA測量數(shù)據(jù)進(jìn)行算法處理后得到。

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頻域指標(biāo)

頻域指標(biāo)是衡量高速線纜性能的重要參數(shù)。差分插入損耗（如Sdd21）反映了信號(hào)在傳輸過程中的衰減情況，是評估通道性能的關(guān)鍵指標(biāo)。差分回波損耗（如Sdd11）則表征了線纜的阻抗匹配程度，降低Sdd11對于減少反射干擾具有重要意義。模式轉(zhuǎn)換（如Scd21）反映了差分信號(hào)轉(zhuǎn)為共模噪聲的能力，近/遠(yuǎn)端串?dāng)_（NEXT/FEXT）分別反映了近端Tx信號(hào)(或遠(yuǎn)端Tx信號(hào))對此條Lane接收端(Rx位置)的耦合噪聲情況。224Gbps高速線纜的典型頻域指標(biāo)如下所示。

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時(shí)域指標(biāo)

時(shí)域指標(biāo)同樣對高速線纜的性能評估至關(guān)重要。時(shí)域阻抗分布，反映了高速線纜的阻抗隨長度分布的均勻性。時(shí)延差（Skew）反映了差分對內(nèi)或差分對間傳輸延遲的差異，對于保持信號(hào)同步具有重要意義。224Gbps高速線纜的典型時(shí)域指標(biāo)如下所示。

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后處理測試指標(biāo)

高速線纜的測試指標(biāo)還有一些后處理測試指標(biāo)。以IEEE802.3dj為例，其后處理指標(biāo)包括信道工作裕量、有效回波損耗和插入損耗偏差等。

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信道工作裕量（COM） ： COM是品質(zhì)因數(shù)，基本上是插入損耗和隔離度之間的差值，可粗略地描述為信噪比。它綜合了插入損耗、串?dāng)_與均衡能力的信噪比指標(biāo)，是評估通道性能的綜合指標(biāo)。在分析每條Lane的信道裕量時(shí)，需要用到對應(yīng)該條Lane所有的NEXT/FEXT測試數(shù)據(jù)。

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有效回波損耗（ERL） ： ERL 則將回波損耗與均衡效果以及發(fā)射器噪聲和接收器頻率響應(yīng)結(jié)合到類似信噪比的品質(zhì)因數(shù)中。它結(jié)合了均衡與噪聲影響的反射抑制能力，對于提升信號(hào)質(zhì)量具有重要意義。ERL是時(shí)域計(jì)算的結(jié)果，通過PTDR 時(shí)域響應(yīng)計(jì)算而來。

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插入損耗偏差(ILD) :：插入損耗偏差 ILD(f) 是插入損耗測量值IL(f) 與插入損耗擬合值IL fitted (f)之間的差值, IL fitted (f)是通過多項(xiàng)式線性預(yù)測的結(jié)果。

除了上述指標(biāo)，CEI-224G和Infiniband XDR 200Gbps高速線纜各自還有一些特有的后處理測試指標(biāo)。CEI-224G還有FOM ILD (又叫ILD RMS )和ICN(綜合串?dāng)_噪聲)等指標(biāo)，Infiniband XDR還有ILD RMS （有效插損偏差）、ICN(綜合串?dāng)_噪聲) 和ICMCN（綜合共模轉(zhuǎn)換噪聲）等指標(biāo)。FOM ILD (ILD RMS )是對ILD(f)數(shù)學(xué)加權(quán)后的運(yùn)算結(jié)果，ICMCN是對S cd21 數(shù)學(xué)加權(quán)后的運(yùn)算結(jié)果，ICN則是由MDNEXT和MDFEXT運(yùn)算而成。若需了解更深入的含義解釋，請見各自的產(chǎn)品規(guī)范，在此不再贅述。

04.

夾具去嵌的應(yīng)用和典型去嵌方法

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夾具去嵌的必要性

網(wǎng)絡(luò)分析儀在測試高速線纜時(shí)，經(jīng)常需要對夾具進(jìn)行去嵌。通過去嵌可消除夾具對DUT測試結(jié)果的影響，從而獲得更加準(zhǔn)確的測試結(jié)果。對于IEEE 802.3dj、CEI-224G和Infiniband XDR高速線纜的測試，當(dāng)前產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)不強(qiáng)制要求對夾具進(jìn)行去嵌，線纜測試結(jié)果通常會(huì)包含夾具的影響。但終端用戶有時(shí)會(huì)要求線纜制造商對夾具進(jìn)行去嵌后再進(jìn)行測試，因此有必要介紹一些與去嵌相關(guān)的知識(shí)。

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典型去嵌方法

VNA常見的去嵌方法包括基本去嵌方法、高級(jí)時(shí)域去嵌方法。

基本去嵌方法是網(wǎng)絡(luò)分析儀的基本功能，包括Auto length and Loss、Time Gate、Direct Compensation等。這類方法只適合于低頻應(yīng)用，不適合于高速線纜的夾具去嵌。

適合于高速線纜去嵌的是高級(jí)去嵌方法，這類方法本質(zhì)上是時(shí)域算法軟件。R&S VNA提供了三種高級(jí)去嵌選件：R&S ISD、R&S SFD、R&S EZD。使用這些高級(jí)去嵌方法，用戶可對夾具的影響進(jìn)行精確去除。

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測試夾具設(shè)計(jì)

測試夾具的設(shè)計(jì)對于確保去嵌精度同樣至關(guān)重要。IEEE P370標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了夾具設(shè)計(jì)、去嵌方法與S參數(shù)驗(yàn)證流程，以確保去嵌測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

05.

R&S公司測試方案

針對IEEE 802.3dj、CEI-224Gbps和Infiniband XDR高速線纜的測試，R&S公司可提供全套軟硬件測試解決方案。該方案可實(shí)現(xiàn)對CR4(4 lanes)/CR8（8 lanes）高速線纜的自動(dòng)化測試。

方案

硬件部分：

由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（R&S ZNA67）、矩陣開關(guān)系統(tǒng)（R&S OSP320 + OSP-B121VL + OSP-B122VL）和自動(dòng)校準(zhǔn)單元（R&S ZN-Z156）等組成。這些硬件共同構(gòu)成了高精度、多端口的測試平臺(tái)。該系統(tǒng)支持從10MHz到67 GHz的寬頻帶測量，性能指標(biāo)完全滿足224Gbps高速線纜的測試需求。

針對224Gbps高速線纜的測試，R&S提供兩種OSP開關(guān)方案：24端口方案和48端口方案。其中24端口方案用作CR4線纜的測試，而48端口方案用作CR8線纜的測試。以CR8線纜測試為例，R&S測試方案由2臺(tái)OSP320矩陣開關(guān)（內(nèi)含2x OSP-B121VL+8x OSP-B122VL開關(guān)模塊）以及1臺(tái)R&S ZNA67高端矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀組成。

方案

軟件部分：

R&S?ZNrun 矢網(wǎng)自動(dòng)化測試平臺(tái)軟件支持IEEE 802.3dj、OIF CEI-224G等標(biāo)準(zhǔn)，可一鍵生成COM、ERL等關(guān)鍵指標(biāo)報(bào)告。同時(shí)，該軟件內(nèi)部還可集成MATLAB腳本，便于對其進(jìn)行二次開發(fā)，從而對測試數(shù)據(jù)的處理和分析更加高效、便捷。

R&S?ZNrun軟件套件采用了包含多個(gè)客戶端的服務(wù)器架構(gòu)。測試開發(fā)人員可以使用R&S?ZNrun Workbench工具配置和控制測試裝置。R&S?ZNrun為測量客戶端提供控制面板，便于測試操作員一鍵開始測量并驗(yàn)證結(jié)果。R&S?ZNrun提供全自動(dòng)一致性測試解決方案，能夠準(zhǔn)確、快速地對高速線纜組件等執(zhí)行自動(dòng)化測試。

R&S?ZNrun以其高度集成化、多客戶端控制與同步測量、全自動(dòng)一致性測試解決方案以及靈活定制與擴(kuò)展性等技術(shù)特點(diǎn)，為用戶提供了高效、準(zhǔn)確、便捷的測試解決方案。

總 結(jié)

224Gbps高速互連系統(tǒng)是支撐下一代數(shù)據(jù)中心與通信網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)之一?；赗&S高精度矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和高性能多端口開關(guān)矩陣的R&S ZNrun自動(dòng)化軟件平臺(tái)，可以全面評估各類高速互連線纜的插入損耗、串?dāng)_、時(shí)延差等關(guān)鍵指標(biāo)。該軟件平臺(tái)還內(nèi)置了后處理算法，可以輕松實(shí)現(xiàn)COM、ERL和ICN等指標(biāo)的計(jì)算。

未來，隨著數(shù)據(jù)傳輸速率的不斷提升與光電融合技術(shù)的發(fā)展，高速線纜測試技術(shù)將不斷向更高帶寬、更高集成度和智能化方向演進(jìn)。隨著PAM6/PAM8等調(diào)制技術(shù)的引入，傳輸速率將進(jìn)一步提升至448Gbps乃至更高。