[論文レビュー] High-Speed Serial Optical Link Test Bench Using FPGA with Embedded Transceivers

Chonghan Liu, D. Gong+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2009

VLSI and Analog Circuit Testing参考文献 4被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、5 Gbpsの高速光リンクを評価するために、Altera社のStratix II GXトランシーバを用いたFPGAベースのビットエラーレートテスタ（BERT）を提案する。商用BERTと同等の受信感度を達成しており、8B/10B符号化の影響を分析し、誤り伝搬に起因する非対称なビット反転行動と、より高いワードエラーを明らかにした。全ワードエラー数は非符号化ケースの2倍未塔である。

ABSTRACT

We develop a custom Bit Error Rate test bench based on Altera's Stratix II GX transceiver signal integrity development kit, demonstrate it on point-to-point serial optical link with data rate up to 5 Gbps, and compare it with commercial stand alone tester. The 8B/10B protocol is implemented and its effects studied. A variable optical attenuator is inserted in the fibre loop to induce transmission degradation and to measure receiver sensitivity. We report comparable receiver sensitivity results using the FPGA based tester and commercial tester. The results of the FPGA also shows that there are more one-to-zero bit flips than zero-to-one bit flips at lower error rate. In 8B/10B coded transmission, there are more word errors than bit flips, and the total error rate is less than two times that of non-coded transmission. Total error rate measured complies with simulation results, according to the protocol setup.

研究の動機と目的

• 高速光リンクの特性評価に適した低コストでカスタマイズ可能なFPGAベースBERTの開発。
• 非符号化および8B/10B符号化データを用いた5 Gbpsポイントツーポイント光リンクの受信感度の評価。
• 8B/10B符号化がビットエラー率およびワードエラー率に与える影響、特に誤り伝搬ダイナミクスの調査。
• 実験的妥当性を確認するため、FPGAベースBERTの結果を商業用スタンドアロンBERTと比較。
• 光受信回路における非対称なビット反転行動（1→0 と 0→1）の調査。

提案手法

• Altera Stratix II GX FPGAと組み込まれたトランシーバ、およびFTDI USBインタフェースを用いて、PCとの通信を実現したカスタムBERTを実装。
• FPGAのトランシーバを介して5 GbpsのPRBS-2^27データストリームを生成し、SFP+モジュールを介してOM3ファイバーを介した光送信を実行。
• リンク劣化を模擬するため、ファイバー環路に可変光衰減器を挿入し、光パワーの異なる条件下での受信感度を測定。
• FPGAパスに8B/10B符号化/復号ブロックを統合し、非符号化比較用に切り替え可能な構成を実装。
• LabVIEWベースのGUIを用いて、リアルタイムでの設定ダウンロードとエラーログのアップロードを実施。
• 8B/10B符号化における誤り伝搬をモンテカルロシミュレーションし、実験的測定結果と照合。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FPGAベースBERTは、5 Gbps光リンクにおいて、商業用スタンドアロンBERTと同等の受信感度を達成できるか？
• RQ2 8B/10B符号化は、高速シリアル光伝送におけるビットエラー率およびワードエラー率にどのように影響を与えるか？
• RQ3 単一ビット反転に続く8B/10B符号化データストリームにおける誤り伝搬の分布はいかなるものか？
• RQ4 低エラー率において、なぜ1→0のビット反転が0→1のビット反転よりも多いのか？
• RQ5 8B/10B符号化伝送の測定エラー率は、シミュレーション結果および非符号化伝送と比較してどうなるか？

主な発見

• FPGAベースBERTは、複数のSFP+モジュールおよびファイバー長にわたり、商業用スタンドアロンBERTと同等の受信感度を達成した。
• 低エラー率において、1→0のビット反転が0→1のビット反転よりも顕著に多く観測され、これは受信回路のポストアンプ回路に起因する非対称性に起因する。
• 8B/10B符号化伝送では、ワードエラーがビットエラーを上回り、50%のワードエラーがビット反転の直後の最初のワードで発生した。
• 8B/10B伝送における全ワードエラー率は、非符号化伝送の2倍未塔であり、シミュレーションの予測と一致した。
• 単一ビット反転に起因する誤り伝搬は、主に最初のワード（平均51.35%）および2番目のワード（13.92%）に影響を及ぼし、2番目以降にはほとんど影響を及ぼさなかった。
• 非符号化および8B/10B符号化データの両方において、測定エラー率がモンテカルロシミュレーション結果と整合しており、モデルおよび実装の妥当性が裏付けられた。