[논문 리뷰] High-Speed Serial Optical Link Test Bench Using FPGA with Embedded Transceivers

Chonghan Liu, D. Gong외 7명|arXiv (Cornell University)|2009. 01. 01.

VLSI and Analog Circuit Testing참고 문헌 4인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 5 Gbps에서 고속 광링크를 평가하기 위해 Altera의 Stratix II GX 트랜시버를 사용한 FPGA 기반 비트 오류율 테스터(BERT)를 제시한다. 상용 BERT와 유사한 수준의 수신 감도를 확보하였으며, 8B/10B 인코딩의 영향을 분석하고 오류 전파로 인한 비대칭적 비트 반전 행동과 더 높은 워드 오류를 규명하였다. 총 워드 오류 수는 비인코딩 케이스의 두 배 이내였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고속 광링크 특성 분석을 위한 저비용, 맞춤형 FPGA 기반 BERT 개발.
• 비인코딩 및 8B/10B 인코딩 데이터를 사용하여 5 Gbps 포인트투포인트 광링크의 수신 감도 평가.
• 8B/10B 인코딩이 비트 오류율과 워드 오류율에 미치는 영향, 특히 오류 전파 역학 분석.
• 검증을 위해 FPGA 기반 BERT 결과를 상용 별도형 BERT와 비교.
• 광학 수신기 회로에서 발생하는 비대칭적 비트 반전 행동(1에서 0으로, 0에서 1로) 조사.

제안 방법

• Altera Stratix II GX FPGA와 내장된 트랜시버, FTDI USB 인터페이스를 사용해 PC 통신을 위한 맞춤형 BERT 구현.
• FPGA의 트랜시버를 통해 5 Gbps PRBS-2^27 데이터 스트림 생성, OM3 광섬유를 통해 SFP+ 모듈을 통해 광전송.
• 링크 열화를 시뮬레이션하기 위해 섬유 루프에 가변형 광학 손실기를 삽입하고 다양한 광학 전력 수준에서 수신 감도 측정.
• FPGA 경로에 8B/10B 인코딩/디코딩 블록 통합, 비인코딩 비교를 위한 구성 가능한 비활성화 기능 제공.
• 실시간 설정 다운로드 및 오류 로그 업로드를 위한 LabVIEW 기반 GUI 사용.
• 8B/10B 코딩에서의 오류 전파를 몽테카를로 시뮬레이션하고 실험 측정 결과로 검증.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 FPGA 기반 BERT는 5 Gbps 광링크에서 상용 별도형 BERT와 유사한 수신 감도를 확보하는가?
• RQ2 8B/10B 인코딩은 고속 직렬 광전송에서 비트 오류율과 워드 오류율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 단일 비트 반전 이후 8B/10B 인코딩된 데이터 스트림에서 오류 전파의 분포는 어떻게 되는가?
• RQ4 낮은 오류율에서 1에서 0으로의 비트 반전이 0에서 1로의 비트 반전보다 많은 이유는 무엇인가?
• RQ5 8B/10B 인코딩 전송의 측정된 오류율은 시뮬레이션 결과와 비인코딩 전송 결과와 비교해 어떻게 되는가?

주요 결과

• FPGA 기반 BERT는 다양한 SFP+ 모듈과 광섬유 길이에서 상용 별도형 BERT와 유사한 수신 감도 결과를 확보하였다.
• 낮은 오류율에서 1에서 0으로의 비트 반전 수가 0에서 1으로의 비트 반전 수보다 유의미하게 많았으며, 이는 광학 수신기의 후방 증폭 회로의 비대칭성 때문으로 추정된다.
• 8B/10B 인코딩 전송에서는 워드 오류 수가 비트 오류 수를 초과하였으며, 워드 오류의 50%가 비트 반전 직후 첫 번째 워드에서 발생하였다.
• 8B/10B 전송에서의 총 워드 오류율은 비인코딩 전송의 두 배 이내였으며, 시뮬레이션 예측과 일치하였다.
• 단일 비트 반전으로 인한 오류 전파의 주요 영향은 첫 번째 워드(평균 51.35%)와 두 번째 워드(13.92%)였으며, 두 번째 워드 이후의 영향은 미미하였다.
• 비인코딩 및 8B/10B 인코딩 데이터의 측정된 오류율은 몽테카를로 시뮬레이션 결과와 일치하여 모델 및 구현의 타당성이 검증되었다.