采用了 100G 標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)中心仍在向 200G / 400G 升級(jí)，升級(jí)的原因與流量的持續(xù)增長(zhǎng)有關(guān)，未來(lái)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(wú)人駕駛和移動(dòng)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(hào)也從NRZ(0,1)兩電平過(guò)渡,
進(jìn)入PAM4(0, 1, 2, 3)四電平信號(hào)。
近年來(lái)江湖中常常會(huì)聽(tīng)到TDECQ這個(gè)拗口的詞,
顯然它與PAM4有著密不可分的關(guān)系。
但是冗長(zhǎng)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(wèn)小K：
傳說(shuō)中的這個(gè)TDECQ，它到底是個(gè)啥??？
本文內(nèi)容簡(jiǎn)介
1. TDECQ的“前世”—— TDP和TDEC
2. TDECQ的誕生和測(cè)試
我們先來(lái)看看官方的稱(chēng)呼和解釋?zhuān)?/p>
TDECQ
全稱(chēng)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(hào)質(zhì)量的非常重要的一個(gè)參數(shù)。
名字中有眼圖，看起來(lái)好像很親切很熟悉，可是TDECQ還真跟眼圖沒(méi)啥關(guān)系。
由于IEEE802.3bs/cd規(guī)范里面對(duì)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(cè)試，取而代之TDECQ變成了無(wú)論生產(chǎn)還是研發(fā)都必測(cè)的一個(gè)參數(shù)。
所以究竟什么是TDECQ？
這還要從它的“前世”說(shuō)起，但在開(kāi)篇之前，你還是要有一個(gè)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(gè)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(cè)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(chēng)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(duì)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(gè)參數(shù)，然而大家卻很少測(cè)試它甚至都很少聽(tīng)說(shuō)過(guò)它呢？
簡(jiǎn)單回答這個(gè)問(wèn)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(gè)參數(shù)，但從測(cè)試角度來(lái)看進(jìn)行TDP測(cè)試的難度很大。
舉個(gè)登山的例子來(lái)講可能你會(huì)更清楚一點(diǎn)：
在我們前行的道路上, 會(huì)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(guò)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(gè)道理咱們都明白，但是難度也大啊，這正如TDP測(cè)試，在NRZ時(shí)代，雖然大家都明白這個(gè)測(cè)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(cè)試的難度卻非常大。
可是搭建測(cè)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(duì)于「TDP的搭建框圖」：
圖1 IEEE802.3規(guī)范中對(duì)于TDP的測(cè)試框圖
「TDP的測(cè)試流程」如下：
A 對(duì)于一個(gè)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(cè)試，記錄這時(shí)的靈敏度即最小功率，P0 ；
B 用被測(cè)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(cè)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(gè)是理想?yún)⒖及l(fā)射機(jī)的靈敏度，
? 另一個(gè)是被測(cè)發(fā)射機(jī)+光鏈路情況下的靈敏度。
所以從物理含義上說(shuō)，TDP非常清晰直觀。
但另一方面，從上面的流程也可以看出測(cè)試上有許多“坑”，也就是為啥這個(gè)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(duì)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(jí)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(lái)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(cè)試1e-12下的靈敏度，就只能用誤碼儀了，但這會(huì)增加儀表成本，需要的測(cè)試時(shí)間也不短。
例如，要達(dá)到95%的置信度的話，對(duì)于10Gbps的誤碼率的測(cè)試，需要十幾分鐘才能測(cè)試到1e-12的水平。
總之，TDP看起來(lái)很美好，但測(cè)試起來(lái)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(guò)去，就要想辦法看看能否繞過(guò)去，在實(shí)際測(cè)試中，大家更喜歡用另一個(gè)參數(shù)——「模板余量」(mask margin)來(lái)作為評(píng)估光發(fā)射機(jī)的性能指標(biāo)之一。模板余量雖然測(cè)試簡(jiǎn)單，但標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議并沒(méi)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(méi)有放棄對(duì)它的追求，依然在尋找將其實(shí)用化的機(jī)會(huì)。所謂無(wú)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(gè)機(jī)會(huì)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(guò)這一次，人們?yōu)榱诉M(jìn)行區(qū)別，換了一個(gè)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(lái)了新的契機(jī)，具體是對(duì)誤碼率的要求有了變化，看樣子是要迎來(lái)TDEC、TDP的春天了。
在100G-SR4中，光鏈路不再是要求無(wú)誤碼傳輸，而是可以容忍5e-5的誤碼率，當(dāng)然最終是通過(guò)FEC(前向糾錯(cuò)碼)技術(shù)來(lái)保證整個(gè)系統(tǒng)的光傳輸性能。這里不考慮FEC的問(wèn)題，所以可以認(rèn)為5e-5誤碼率是IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于100G-SR4的要求。
為什么說(shuō)光鏈路誤碼率從1e-12變成了5e-5后就迎來(lái)了TDP（這里應(yīng)該叫TDEC）的春天了呢？
那是因?yàn)橐獪y(cè)試到1e-12水平的誤碼率，至少要比較1e-13數(shù)量級(jí)的比特?cái)?shù)目，示波器無(wú)法短時(shí)間采集到這么多數(shù)據(jù)因此無(wú)能為力，只能依靠誤碼儀；而對(duì)于5e-5的誤碼率，示波器只需要采集到1e6數(shù)量級(jí)(1M級(jí)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(tái)采樣示波器就可以進(jìn)行測(cè)試了。
當(dāng)然，還需要解決的問(wèn)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(lái)構(gòu)建理想的參考發(fā)射機(jī)模型，所有的測(cè)試過(guò)程都依靠算法，這樣就極大簡(jiǎn)化了測(cè)試環(huán)境的搭建。
「TDEC的測(cè)試框圖」如下圖2所示：
圖2 TDEC的測(cè)試框圖
? 和之前的TDP框圖比較來(lái)看，已經(jīng)簡(jiǎn)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(méi)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(duì)SR4標(biāo)準(zhǔn)，所以對(duì)于100G-SR4的TDEC的測(cè)試，一般測(cè)試25G信號(hào)測(cè)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(shuō)明一下「TDEC是如何得到的」？
A 對(duì)于于進(jìn)入示波器的光信號(hào)，在圖3的藍(lán)色方框區(qū)域（0.4UI和0.6UI，每個(gè)方框?qū)挾?.04UI）畫(huà)直方圖，該區(qū)域也是標(biāo)準(zhǔn)中指定的測(cè)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(hào)加入噪聲來(lái)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(shí)。
圖4
C 示波器內(nèi)部根據(jù)前面輸入信號(hào)的幅度和周期構(gòu)造理想信號(hào)模型，并在該理想信號(hào)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(shí)。
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(cè)試就非常簡(jiǎn)單了，儀表方面只需要一個(gè)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(cè)試速度很快，只需要2s左右即可完成。
到此為止，TDEC是一個(gè)兼具完美直觀的物理含義和簡(jiǎn)單測(cè)試方法的參數(shù)，然而由于100G-SR4測(cè)試中模板余量的存在，人們依然習(xí)慣了模板的測(cè)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(gè)堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
/ 二 /
TDECQ的誕生和測(cè)試
從NRZ信號(hào)到PAM4信號(hào)的轉(zhuǎn)變，絕不是簡(jiǎn)單的量變，而是一個(gè)質(zhì)的變化。
因?yàn)镻AM4信號(hào)格式的特點(diǎn)，帶來(lái)了測(cè)試參數(shù)和測(cè)試方法的巨大變革，這里不再贅述PAM4的特點(diǎn)和測(cè)試挑戰(zhàn)，而聚焦于一個(gè)問(wèn)題：以前NRZ時(shí)代大家常用的模板余量測(cè)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(gè)那么容易的問(wèn)題，即使IEEE802.3協(xié)會(huì)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(wú)需重復(fù)過(guò)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(kāi)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中，一個(gè)共識(shí)是模板余量已經(jīng)不再適合PAM4的測(cè)試，這時(shí)候在我們面前的這座大山，繞無(wú)可繞，只能翻過(guò)去，需要用新的參數(shù)來(lái)表征發(fā)射機(jī)的性能。
這個(gè)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?lái)說(shuō)，衡量一個(gè)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(wú)論是NRZ的發(fā)射機(jī)還是PAM4的發(fā)射機(jī)?？磥?lái)TDP還是最受標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)組織青睞的參數(shù)啊。為了以示區(qū)別，對(duì)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(shuō)明了。
TDECQ的計(jì)算方法呢？
顯然和前面的TDEC也是類(lèi)似的。下圖7是IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)組織對(duì)于「TDECQ的測(cè)試框圖」：
圖7 IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)組織對(duì)于TDECQ的測(cè)試框圖
看起來(lái)是不是很眼熟？和TDEC的幾乎一樣。只不過(guò)：
? 對(duì)于單模信號(hào)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(duì)于多模而言，就可以省去光纖了。
2.TDECQ的測(cè)試
2 2
先回顧一下TDECQ的兩個(gè)測(cè)試前提：測(cè)試碼型和測(cè)試接收機(jī)。
IEEE802.3bs對(duì)于PAM4信號(hào)的測(cè)試碼型要求如表2：
表2 IEEE802.3bs對(duì)于PAM4信號(hào)的測(cè)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(zhǎng)度為8191的四電平碼型，可用來(lái)進(jìn)行發(fā)射機(jī)的ER/OMA的測(cè)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(zhǎng)度為231-1 的四電平碼型，注意該碼型只用來(lái)進(jìn)行PAM4系統(tǒng)靈敏度的測(cè)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(duì)于發(fā)射機(jī)壓力比較大的碼型進(jìn)行拼接編碼而成，長(zhǎng)度是216-1，其好處是既可以對(duì)被測(cè)發(fā)射機(jī)施加足夠的壓力從而更加接近測(cè)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(gè)碼型進(jìn)行均衡等信號(hào)處理了。SSPRQ是進(jìn)行TDECQ測(cè)試的碼型。
對(duì)于PAM4光信號(hào)的測(cè)試（包括TDECQ等參數(shù)），IEEE802.3bs規(guī)范要求測(cè)試儀表的參考接收機(jī)必須滿足兩個(gè)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(cè)信號(hào)符號(hào)率的一半(13.28GHz for 26.56GBaud, 26.56GHz for 53.125GBaud)。
注意：對(duì)于多模26.56GBaud PAM4光信號(hào)測(cè)試，帶寬變?yōu)?1.2GHz。
測(cè)試碼型和測(cè)試接收機(jī)確定了以后，我們繼續(xù)來(lái)看「TDECQ的測(cè)試」。
TDECQ的測(cè)試?yán)锩?，?duì)于CDR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(hào)本身的復(fù)雜性，需要在信號(hào)接收端使用均衡器來(lái)張開(kāi)眼圖，所以，TDECQ的測(cè)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(hào)來(lái)確定。
在嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范測(cè)試中，是需要根據(jù)TDECQ的測(cè)試框圖搭建光鏈路進(jìn)行的，但在實(shí)際的PAM4生產(chǎn)測(cè)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(cè)試光發(fā)射機(jī)輸出信號(hào)的TDECQ。
「TDECQ的測(cè)試流程」和前面描述的TDEC是一樣的：
A 對(duì)于進(jìn)入示波器的光信號(hào)，在圖9的藍(lán)色方框區(qū)域 (0.45UI和0.55UI，每個(gè)方框?qū)挾?.04UI，為方便起見(jiàn)，只顯示一半) 畫(huà)直方圖，該區(qū)域也是標(biāo)準(zhǔn)中指定的測(cè)試TDECQ的區(qū)域。假設(shè)該區(qū)域內(nèi)的計(jì)算的誤符號(hào)率SER不高于規(guī)范要求的目標(biāo)誤符號(hào)率4.8e-4。
圖9
B 利用算法給該區(qū)域內(nèi)的信號(hào)加入噪聲來(lái)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(shí)。
圖10
C 示波器內(nèi)部根據(jù)前面輸入信號(hào)的幅度和周期構(gòu)造理想信號(hào)模型（虛擬理想發(fā)射機(jī)），并在該理想信號(hào)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(shí)。
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(cè)信號(hào)（經(jīng)過(guò)均衡后）的誤符號(hào)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(cè)信號(hào)的質(zhì)量。
從這個(gè)流程可以看出，TDECQ的計(jì)算過(guò)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(cè)試項(xiàng)目相比，大大減少了儀表的投入和測(cè)試時(shí)間的花費(fèi)。
然而，正是由于TDECQ的測(cè)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(cè)試結(jié)果，從而使得該項(xiàng)測(cè)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(gè)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(dòng)區(qū)間（IEEE802.3cd增加的）。標(biāo)準(zhǔn)組織優(yōu)化TDECQ的工作并沒(méi)有停止，可能會(huì)在將來(lái)的其他規(guī)范中進(jìn)行補(bǔ)充。所以說(shuō)跟上時(shí)代標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展潮流是進(jìn)行規(guī)范測(cè)試的必要條件啊。
最后上一張「TDECQ的測(cè)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(cè)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(hào)
黃色的是均衡器之后的PAM4信號(hào)