[论文解读] 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 3

一句话总结

本文提出了一种基于FPGA的比特错误率测试仪（BERT），采用Altera的Stratix II GX收发器，在5 Gbps速率下评估高速光链路。其结果表明，接收机灵敏度与商用BERT相当，分析了8B/10B编码的影响，揭示了比特翻转的非对称性以及因错误传播导致的更高字错误率，总字错误率低于非编码情况的两倍。

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.

研究动机与目标

• 开发一种低成本、可定制的基于FPGA的BERT，用于高速光链路特性分析。
• 通过非编码和8B/10B编码数据，评估5 Gbps点对点光链路的接收机灵敏度。
• 研究8B/10B编码对比特错误率和字错误率的影响，包括错误传播动力学。
• 将基于FPGA的BERT结果与商用独立BERT进行对比，以验证结果。
• 研究光学接收机电路中非对称的比特翻转行为（1→0与0→1）

提出的方法

• 使用Altera Stratix II GX FPGA及其嵌入式收发器和FTDI USB接口，实现自定义BERT，用于与PC通信。
• 通过FPGA的收发器生成5 Gbps的PRBS-2^27数据流，驱动SFP+模块在OM3光纤上进行光传输。
• 在光纤环路中插入可变光衰减器，模拟链路退化，测量不同光功率水平下的接收机灵敏度。
• 在FPGA路径中集成8B/10B编码/解码模块，并可通过配置跳过以实现非编码对比。
• 使用基于LabVIEW的图形用户界面，实现实时配置下载和错误日志上传。
• 对8B/10B编码中的错误传播进行蒙特卡洛仿真，并通过实验测量结果进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于FPGA的BERT在5 Gbps光链路中是否能达到与商用独立BERT相当的接收机灵敏度？
• RQ2 8B/10B编码如何影响高速串行光传输中的比特错误率和字错误率？
• RQ3 单个比特翻转后，8B/10B编码数据流中的错误传播分布如何？
• RQ4 为何在低错误率下，1→0的比特翻转多于0→1的比特翻转？
• RQ5 8B/10B编码传输的实际错误率与仿真结果及非编码传输相比如何？

主要发现

• 基于FPGA的BERT在多个SFP+模块和不同光纤长度下，其接收机灵敏度结果与商用独立BERT相当。
• 在低错误率下，1→0的比特翻转显著多于0→1的比特翻转，归因于光学接收机后置放大电路中的非对称性。
• 对于8B/10B编码传输，字错误率高于比特错误率，其中50%的字错误发生在比特翻转后的第一个字。
• 8B/10B传输的总字错误率低于非编码传输的两倍，与仿真预测一致。
• 单个比特翻转引起的错误传播主要影响第一个字（平均51.35%）和第二个字（13.92%），对后续字的影响可忽略。
• 非编码和8B/10B编码数据的实际错误率均与蒙特卡洛仿真结果一致，验证了模型与实现的正确性。