10 Gbit/s SFP+光模块测试平台设计与优化

周 扬，熊俊俏

(武汉工程大学 电气信息学院，湖北 武汉 430205)

随着通信技术的不断发展和网络传输容量的不断提高，光纤通信已经是当前主要的通信方式之一。光模块作为光通信网中的核心器件其作用不可小觑，它常被用作交换机与设备之间进行传输的载体，相较于一般的收发器，其效率和安全性方面都可以得到更好的保证。但是在光模块的种类和速率日益更新的今天，其测试过程也变得复杂。因此，有必要对光模块的测试方法进行改进，从而进一步提高测试效率。

近年来，有许多学者针对测试的不同方面提出了改进的方法。文献[1]提出了基于RapidIO协议的通信方案，通过光模块完成光电转换并成功应用于实体场景中。文献[2]则提出了一种多速率的综合误码测试方法，采用模块分段覆盖的方式来达到测试不同速率的目的。在10 Gbit/s的网络传输中，SFP+模块因其成本低、体积小、传输容量大等优点，已经成为了市场主力军。

以SFP+光模块为例，采用一种四通道测试平台的方式进行测试。首先，通过电路设计保证了PC上位机和下位控制器之间的直接数据输入输出，提出了电压转换的设计方案来适配标准模块。其次，利用最小二乘法将光功率与误码率进行线性拟合，从而得到模块灵敏度的过程，通过观察眼图波形判断是否有噪声干扰。最后，在测试数据方面，改进后的方法支持多种可调的测试速率，在高低温和正常温度下的测试结果都保持稳定，证明了其效果良好。

1 测试平台的系统结构

光模块测试平台主要由误码仪、光衰减器、多通道系统通信板、测试板和眼图仪等器件搭建而成。选择1310发/1510收模块进行测试，测试板采用并口模拟的方式与计算机连接，主要用来实现电光转换，并且测试板与被测模块通过I2C总线进行控制。误码仪与计算机之间的正常通信是通过RS232接口[3-4]或USB接口充当媒介进行的。在发送端使用多模的光开关和光衰减器，结合波分复用器来完成不同波长光的同时传输[5]。计算机作为测试的主控设备，要兼顾完成数据的处理和仪器的协调使用，其具体功能是通过并口模拟I2C的方式来发送指令，完成数字诊断所需的数据采集，从而进一步对数据分析和调整。最后用GPIB控制器[6]分析眼图仪运行情况并读取数据，获得眼图信息。系统整体结构如图1所示。

图1 系统整体结构图

2 多通道测试板设计

2.1 通信协议I2C

I2C(Inter-Integrated Circuit)为内部整合电路的称呼，也是一种串行的通信总线。I2C协议为两线接口，即在串行数据(Serial Data,SDA)和串行时钟(Serial Clock,SCL)线与总线的设备之间传输信息，具体方式为当SCL处于高电平时，SDA从高电平向低电平跳变移动，传输数据由此开始，而当SCL处于高电平，SDA由低电平向高电平跳变移动时，结束数据传输[7-8]。I2C接口内部结构如图2所示。

图2 I2C接口内部结构

2.2 USB转I2C设计

本次USB转I2C设计所采用的芯片为CH341T[9]，如图3所示。U3是USB端口，其总线主要涵盖的是5 V电源线以及数据信号线，CH341T芯片和一些功耗不高的产品(例如一些常见的电流传输控制器)能够运用总线提供的5 V电源。图3中，C7为0.1 μF的高频电容，其主要功能是外部电源的退耦；X1的频率为12 MHz；C5和C6为15～30 pF的高频电容器。时钟振荡电路主要由C5、C6和晶振X1共同构成。ACT#引脚用来完成USB配置的状态输出。当没有配置时，输出高电平，否则输出低电平。UD+和UD-引脚连接到USB总线。CH341芯片正常工作时，它要为XI管脚提供12 MHz时钟脉冲信号。信号由反相器晶体稳频振荡形成，XI和XO引脚之间有一个12 MHz晶振，最后两个引脚应连接到地振荡电容器。

图3 USB转I2C电路原理图

2.3 电源选用和设计

SFP+光模块的标准工作电压约为3.3 V，工作电流约为200 mA，把经12 V转为3.3 V的电源作为标准模块使用，所以本次电源设计采用一种降压式开关电源，该电源可以将12 V输入电压转换为3.3 V的输出电压。此电源上还使用了一个集成电源控制器(SC4519)，具有独立的同步和使能功能，支持低成本低功耗解决方案，并且这种控制器会将功率管集成在芯片内部，简化了电源的设计过程。电源设计原理图如图4所示。

图4 电源设计原理图

SC4519使用反馈回路来调节操控内部电源开关的占空比，其中误差放大器的功能类似于电压模式变换器，开关电流基准工作由它的输出所决定。这项技术提高了电压模式系统的性能。基于这种方法，补偿电流模式转换器可以获得更好的性能。周期内的开关电流都由电源控制器内部的检测放大器来监测，当COMP上的电压大于2 V并且电流限值超过3 A的上限时会触发过流保护(Over Current Protection,OCP)。将EN引脚拉低并保持在0.4 V以下会激活SC4519的关闭模式。在关闭模式下，如果EN引脚拉高，则SC4519被接通。

3 平台测试

3.1 数字诊断原理

SFF-8472协议规定了光模块中数字诊断功能的具体内容[10-11]，支持数字诊断的监测接口会对光模块工作的数据进行实时监测，监控的数据经过校准后变成数字化的参量，存储到芯片后外部设备可经过I2C接口进行读取[12]。另外，光模块数字诊断接口还为内存映射增加了选择，不但保留了GBIC在地址A0H处的地址映射，并且一个新的256 B的存储单元被添加为A2H的地址。其中两线串行接口访问的8位地址为1010000X(A0H)，主要用来存储模块的一些特定信息，例如模块的序列号、类型、生产厂家、传输距离等。

诊断监测接口使用的8位地址为1010001X(A2H)，主要用来对光模块的发射功率、接收功率、电压、偏置电流和温度等指标进行实时监测，将得到的数字信息与模拟量进行对照，完成校准。具体的SFF-8472协议架构如图5所示。

图5 SFF-8472协议架构

3.2 光收发模块性能测试

按照图1搭建好测试平台后，应确保模块可以正常工作，测试项目主要有灵敏度、误码率、光功率和眼图的效果。测试主要原理为误码仪的内部模块生成伪随机码序列，并利用监控系统的对外接口传递给被测的模块[13-14]；经过电光转换后将电信号转换为光信号并发送到示波器查看眼图效果，同时，信号还会通过光衰减器分流到光模块的接收端，接收接口完成光电转换交付到误码检测模块；随后，将接收的误码序列与开始的随机序列进行比对，从而得出误码率。误码仪测试界面如图6所示。可以看出系统误码率在1E-13以下。调节衰减器衰幅度，当误码率没有达到10-9量级时初值会自动衰减0.3 dB并且一直循环下去，达到后系统会将此时的光功率作为第一个测试点，随后衰减0.4 dB逐次找出后续的测试点，最后得到的光功率与误码率两组数据通过最小二乘法完成线性拟合[15]。

图6 误码仪测试界面

其数学公式如下，设拟合直线方程为

y=ax+b

(1)

有任意观察点的m组数据为(xi,yi)，而观察点与拟合直线上的点横坐标相同，纵坐标相差距离为

di=yi-(a+bxi)

(2)

设

(3)

随后分别对a和b求一阶偏导：

(4)

令其等于0求出a和b分别为

(5)

求出a与b后，根据式(1)可以找到y为10-12时对应的x值，在这种情况下，功率计以10-12的数量级测量的光功率值就是灵敏度。在发射端性能调试中通过控制眼图分析仪将眼图信息完整显示出来，眼图信号如图7所示。从图7中可以看出测试的眼图轨迹线清晰、对称，张开程度也较大，“0”和“1”电平平滑，说明信号没有受到明显的噪声干扰，表明了眼图符合测试的基本标准。

图7 眼图信号

3.3 光模块监测系统测试

光模块监测系统的指标主要包括光发射和接收功率、电压、偏置电流、温度。SFP+光模块系统监测界面图如图8所示，选择模块型号后先解除模块密码，随后进行状态读取，实时对这几个参量进行监测并且固定时间自动刷新，通过内部校准的方式显示出来。如果监测的参量值在告警门限范围内则绿灯亮起，否则会亮红灯，此时就要检查是模块自身问题还是通信问题。之后单片机读取相关值并写入模块。

图8 SFP+光模块系统监测界面图

表1和表2分别为系统在不同温度下模拟量的监测值与实测值汇总，通过对比可以得出光功率的误差在±0.5 dBm以内，温度、电压偏置电流等结果也均在厂家误差范围内，验证了测试模块的性能良好，优化设计的测试方法可行，有着良好的应用价值。

表1 软件监测值

表2 系统实测值

4 结束语

本文主要提出了一种10 Gbit/s的SFP+光模块测试平台的优化设计，使用四通道测试的方法来替代传统的单通道和双通道测试，在高低温条件下的测试结果都符合要求；与计算机的通信过程中选择了USB接口使光模块测试系统的应用范围和稳定性都更好，模块系统满足了SFF-8472协议的要求，实现了对光模块系统的实时监测，保证了整体监测系统的可靠性。目前可以进一步拓展的是八通道测试，但是八通道测试对模块的传输速率和器件自身的质量要求较高。下一步努力的方向是实现完全的自动化测试，进一步提升测试效率。