抖动测试中校准标准的重要性

ITU-T规范了三个抖动测试指标以保证传输系统在互连时没有误码- 抖动产生,抖动容限,和抖动传递. 为了使传输系统的抖动在抖动容限值之下, ITU-T 定义了可以接受的抖动产生值应小于 0.1 UIp-p (从 4 MHz 到 80 MHz). 为确保这个指标,对带内抖动的正确评估显得非常重要.

一般地,有两个因素会导致传输系统的抖动 - 由传输系统产生的单边带噪声而引起的随机性抖动,和由SDH/SONET帧信号产生的确定的抖动. 随机抖动的数值随测试时间不同而变化,因为随机抖动的概率分布符合高斯分布. 所以,测试时间必需明确给出.

另一方面, 确定性抖动和测试时间无关.所以,正确地评估这些复杂数据是非常重要的.尤其是在OC-192 (10G) 和 OC-768 (40G)的高速率情况下, 必需要将抖动控制在0.1 UI之内, 或者 对10G 和 40G 分别10 ps 和 2.5 ps.

抖动测试的问题

有许多测试系统可以测量10G抖动,但每一个设备都几乎得到不同的抖动结果,这是一个严重的问题. 既然没有可追溯的通用标准,那么建立一个可信的校准程序来验证抖动测试是势在必行的.然而,SONET/SDH信号中多种的抖动使得测试变得复杂和困难. 为有效地应对该挑战,抖动可追溯性是必要的.

当使用自环测试来评估抖动测试设备时,发端和收端各自产生的抖动比例应当确知.一些厂家假定发端不产生抖动,认为所有的抖动由收端产生.这种做法是不对的,因为SDH/SONET 信号在未扰码的区域包含了帧字节的初始抖动.因此,确定发端信号有多少抖动是很重要的,尤其是站在可追溯性的观点来看.

抖动的可追溯性

图 1 显示了10G OC-192 信号的光波形.它是使用了安立公司的脉冲发生器作为标准的低抖动信号源,并经过宽带E/O转换器的输出信号.

100 mV/div 20 ps/div

图 1. 标准 10G 光波形

发端的抖动大小可以使用图2所示的可追溯性系统来测量.这个数值然后就可以用来评估收端并建立起收端的可溯源性.

图 2. 图案抖动评估系统

评估图案抖动

抖动可以不使用抖动测试设备来分析.如图2所示,从可编程的脉冲发生器产生的OC-192 帧信号可以被用于测量图案抖动. E/O转换器产生一个可用于被采样示波器观察的光信号. 通过使用图案触发来触发示波器, 可以显示出来一个固定的图案而不是眼图.时钟信号做为无抖动的参考信号同时也被测量.抖动测试结果可以在图3看到.非扰码的脉冲抖动是明显的.

Figure 3. Result of Jitter Evaluation (Optical)

进行64次测试平均是必要的,以降低示波器触发电路的残余抖动的影响,使这种源的误差可以达到忽略的目的.A1图案的第一个边沿和时钟信号的边沿可以使用采样示波器的延迟功能来调整以实现对数据沿和时钟沿时间差的测试.

测量完所有边沿(X1, X2, X3, ...)的时间差后使用数字信号处理器和滤波技术就可以计算出发端的图案抖动.该测试技术使得采样示波器的残余抖动的影响可以被忽略.

SDH/SONET 帧每125us在段开销(SOH)产生图案抖动.这是因为该处的A1/A2字节是不被扰码帧的同步字节,根据定义产生图案依赖性抖动,这个图案依赖性抖动的周期产生了以3.24MHz为中心频率的大量抖动.

图 4 显示了一帧的概率分布函数测试结果非扰码的字节产生的抖动峰值为6.61ps(65.8mUIp-p).其余的扰码字节的抖动比较小.所以,由非扰码的字节产生的抖动是抖动产生的主要原因.

图 4. 通过HP1+LP滤波器的图案依赖抖动的概率分布函数

评估随机抖动

为分析随机抖动,一定要测量发送信号的SSB噪声.以使用从SDH/SONET信号转换过来的1010图案 作为发送信号为例,经过HP1 + LP滤波器后计算出的随机抖动只有0.15 mUIrms.

60s测试时间的全部抖动 (PDFT) 是图案抖动 (PDFy) 和随机抖动 (PDFr)的总和. 以这种方法对9.95328-Gbit/s 图案的参考信号所找到的全部抖动为6.981 ps (69.47 mUIp-p). 作为结果,当使用很低SSB相位噪声的合成信号源作为标准信号源时,全部抖动差不多等于图案抖动.SSB相位噪声只有0.15 mUIrms (HP1 + LP),几乎可以忽略. 所以,很明显,当测试小于0.1 UIp-p 的抖动时,图案抖动必需要被精确地测试.

SDH/SONET图案的图案抖动

图 5 显示了通过仿真器计算出的SDH/SONET图案中存在的图案抖动的频率分布. 尽管SDH/SONET图案抖动包含了无穷大的8-kHz 频谱, 峰值在 1 到 10 MHz. 甚至标准信号很干净(例如图1所显示的), 在光信号上仍然存在由SDH/SONET帧图案导致的大约 65.8-mUIp-p 的图案依赖抖动.抖动并没有经过HP1+LP抖动滤波器衰减,因为它在抖动测试带宽内.

Figure 5. Spectrum Elements of SDH/SONET Pattern (STM-64)

为保证精确的抖动产生,所有的抖动测试设备必需使用标准的可追溯的信号来校准.抖动接收端可以使用随机抖动很小,而且没有图案抖动的1010图案进行校准.接收端的残余抖动可以通过已知的发送抖动来确认.例如,当结果显示为 80 mUIp-p, 接收段的残余抖动为 14.2 mUIp-p ,因为发送端的抖动是65.8 mUIp-p. 尽管发送端是测试设备残余抖动的主要来源,它并不影响测试结果;因为它经过被测设备的传递特性被抑制了.

可追溯的抖动参考的重要性

OC-768的图案依赖抖动频率只是相对的比OC-192的图案依赖抖动频率高,因为ITU-T 减少了40G的A1/A2的数目, 也因此减少了OC-768非扰码字节的区域.其抖动频率大约为 40 MHz, 仍然在ITU-T规定的抖动带宽内(80 kHz-320 MHz). 因此,这个图案抖动必须要精确地测量,尤其是在40G系统的规范非常严格的情况下.

40G 的规范仍是比较严格的,0.1 UI (最大允许抖动)对40G来说是2.5 ps, 大约是10G系统允许指标10 ps 的四分之一. 精确地测试 2.5 ps 是非常困难的,因为没有可追溯的标准参考.

图6 显示了用这里讨论的验证技术测试一个典型的SONET发送器的 OC-768 图案抖动. 图 7 显示了使用安立的40G抖动分析仪测试同一个发送器的抖动解调输出. 两个结果基本相近,但是远超过了ITU-T的标准.因此,生产厂家必需提高他们40G的器件性能,或者ITU-T 要重新考虑40G的抖动标准.

图 6. OC-768 (40G) 验证结果

图 7. OC-768 信号抖动测试仪的解调输出波形

结论

在高速率下的精确的抖动测试是非常困难的,因为涉及到非常小的时间(2.5 ps, 10 ps) ,而恰恰是这样小的时间是保证网络无误码运行的基础. 这里描述的方法显示了对10G和40G的抖动精确测试必需准确地计算图案抖动和随机抖动. 图案抖动在更大的程度上是由发端产生的,而不是收端. 对图案抖动的源头做不正确的假设将导致对高速抖动测试的矛盾.这篇文章所列的方法解决了这些问题.