光時代，光電探頭補齊實時示波器一塊短板！
圖1 當前典型的數(shù)據(jù)中心架構(gòu)面對全新的光電測試挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)服務器的研發(fā)和測試工程師，您手邊的常用設備——長期馳騁于DDR和PCIE/USB等測試戰(zhàn)場的——實時示波器，還能夠滿足新的需求和挑戰(zhàn)么？
諸如以下問題，是否曾經(jīng)困擾過您？
- “在研發(fā)中，我想使用實時示波器，調(diào)試/排除光模塊等組件故障以及光通訊中的錯誤檢測。”
- “我已經(jīng)花了很大的投資在實時示波器上，不想再專門為光信號測量的采樣示波器再花錢。”
- “我想看看我的光發(fā)射機的原始響應。”
- “如果沒有時鐘信號來觸發(fā)采樣示波器，再花錢買時鐘恢復模塊也是很大的投資。”
- “針對像PON這樣的“突發(fā)”光信號，采樣示波器無法解決，實時示波器可以么？”
事實上實時示波器在系統(tǒng)級研發(fā)和測試中以其強大的觸發(fā)能力和調(diào)試及分析能力有更普遍的適用性，而且更符合日常使用習慣，那么如何讓實時示波器繼續(xù)發(fā)揮作用？現(xiàn)在離解決這些問題，只差一步，那就是一款恰當?shù)挠糜?a class="wrap external" data-za-detail-view-id="1043" rel="nofollow noreferrer" style="text-decoration-line: none; cursor: pointer; border-bottom: 1px solid rgb(128, 128, 128);" target="_blank">實時示波器的光電轉(zhuǎn)換探頭！
. 全新 N7005A光電轉(zhuǎn)換探頭為您解憂
為了解決上述類似問題和挑戰(zhàn)，Keysight 繼 3 年前推出 N7004A—33GHz 光電轉(zhuǎn)換探頭后，近期推出全新的60 GHz N7005A光電轉(zhuǎn)換探頭：
圖2 N7004A(上)和N7005A(下)光電轉(zhuǎn)換探頭
指標如下表：
| _ | N7004A | N7005A |
| 帶寬 (磚墻響應) | 33 GHz | 60 GHz |
| 帶寬(4th BT) | 22 GHz | 46.6 GHz |
| 帶寬限制(4th BT) | 33 GHz | 70 GHz |
| 耦合方式 | DC | |
| 輸入光功率上限 | 光功率 4mW (線性) 或 8 mW (非破壞性) | |
| 波長范圍 | 750 – 1650 nm | 1250-1600 nm |
| 輸入連接 | FC/PC 連接,50/125 um,單模或多模 | FC/PC 連接,9/125 um,單模 |
| 適用型號 | Infiniium V, 90000X,90000Q,Z,UXR系列 | Infiniium UXR系列,帶寬≥40GHz |
| 表1 N7004A/N7005A指標 |
如何理解上述指標中的磚墻響應和 4th BT響應？
首先，實時示波器帶寬通常指磚墻響應下的 -3dB帶寬，而針對 PAM-4信號測試，在諸如 IEEE P802.3bs™/D3.1 等標準中則明確說明采用33 GHz帶寬4階貝塞爾-湯姆遜濾波器，對CEI-56G-VSR-PAM-4采用40 GHz帶寬4階貝塞爾-湯姆遜濾波器,因此這里也將探頭帶寬換算成 4th BT響應帶寬。
下圖是 N7005A 頻率響應：
圖3 N7005A的磚墻響應和BT濾波擬合響應
其本身磚墻響應帶寬可達60 GHz,為上圖中藍色曲線，粉色曲線是理想4階響應，按照BT濾波器擬合后，其帶寬可達46.6GHz。配合59 GHz示波器，其最終擬合帶寬響應結(jié)果與上圖接近。
此外每個 N7005A光電轉(zhuǎn)換器均包含經(jīng)過優(yōu)化的校正濾波器的頻率響應測量數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)會平滑頻率響應，實現(xiàn)更精確的測量。
那么針對 NRZ 和 PAM-4 光信號測試一般需要多少帶寬呢？
NRZ(PAM2):
示波器 BW ≥ 光速率 *0.75 * 3/2
| 光信號速率 | 接收機BT帶寬(=0.75 x 數(shù)據(jù)速率) | 需要的示波器帶寬(=3/2倍接收機帶寬) | 推薦的示波器帶寬 |
| 28 Gbps | 21 GHz | >31.5 GHz | 33GHz (V334A + N7004A) |
PAM-4:
示波器 BW ≥ 光符號速率 *0.5 * 3/2
| 光信號速率 | 光符號速率 | 接收機BT帶寬(=0.5 x 數(shù)據(jù)速率) | 需要的示波器帶寬(=3/2倍接收機帶寬) | 推薦的示波器帶寬 |
| 56 Gbps | 28 GBaud | 14 GHz | >21 GHz | 40GHz (UXR0404A + N7005A) |
| 112 Gbps | 56 GBaud | 28 GHz | >42 GHz | 59 GHz (UXR0594A + N7005A) |
硬件已經(jīng)俱備，軟件呢？
在V/Z系列及早期 90000X 和 90000Q 示波器上安裝新版本的 Firmware 均可支持 N7004A—33 GHz 光電探頭，在 UXR系列示波器型號上，10.25 以上版本均可支持。提供基本的光信號相關(guān)測量和暗電平校準功能。
在Infiniium實時示波器軟件下可以得到的光信號測量項目如下：
是不是覺得這些相比采樣示波器上支持的測量項目少了許多？
現(xiàn)在，Keysight的 FlexDCA 系列軟件包也可以支持 UXR 系列示波器配合 N7005A 光電探頭，提供更多測量項目。
N1010100A 研發(fā)用軟件包和 N1010200A 生產(chǎn)用軟件包可以使用 FlexRT（實時示波器控制）的FlexDCA軟件功能來控制基于 UXR 的示波器和 N7005A。FlexDCA 與用于控制是德科技 N1092A / B / C / D 數(shù)字通信分析儀（DCA-M）的軟件相同，該軟件以執(zhí)行快速而準確的光學 PAM4 測量（例如TDECQ）而聞名。
使用相同的軟件應用程序來控制基于DCA和基于UXR的示波器，可以確保很好的測量相關(guān)性，同時提供相同的UI體驗，以實現(xiàn)很好程度的易用性。FlexRT功能控制實時采集系統(tǒng)，以提供經(jīng)過校準的光學測量結(jié)果，例如：
- Transmitter and Dispersion Eye Closure Quaternary(TDECQ)
- Outer Optical Modulation Amplitude (Outer OMA）
- Outer Extinction Ratio(Outer ER）
- Average Optical Power
- …..
在集成FlexRT軟件后，在實時示波器上提供了便利性，可以輕松配置時鐘恢復，通道和參考接收機設置，除了執(zhí)行與采樣示波器兼容的光參數(shù)測量還提供采樣示波器不具備的調(diào)試能力！
在實際使用中，推薦使用UXR系列實時示波器，其在高性能實時產(chǎn)品上的10bit ADC和超低本底噪聲將帶來相比一般8bit ADC更加優(yōu)異的測量結(jié)果。
02. 光電探頭使用小技巧
如何正確有效地在實時示波器上使用光電探頭？
首先來看如何連接。
針對N7004A，可以直接和V/Z/90000X/Q及UXR 33GHz帶寬以下產(chǎn)品直接連接使用：
圖6 N7004A直接與V/Z/UXR 33GHz以下型號直接連接
N7005A則推薦與UXR 40GHz系列以上使用，如下圖：
圖7 N7005A與UXR 40GHz以上型號連接示意圖
在 UXR示波器 40 GHz以上頻段探頭連接端口，左邊是探頭供電，右邊是電信號輸入。N7005A方頭是O/E模塊與探頭供電接口連接，另外一個帶1.85mm的同軸輸出接口是AutoProbe III接口模塊則與示波器電信號輸入端連接，如上圖示。上圖右圖中紅色箭頭還標出了信號流程。
此外 N7005A 電信號輸出和示波器電信號輸入端，還需要一些適配器，比如針對1.85mm接口的85058-60114和針對1mm輸入的Y1901B。
為了達到很好的測量結(jié)果，在信號分析和測量前還有哪些準備工作？
- 清潔光纖連接器
- 連接N7004A/5A輸出到示波器
- 需要特別注意的是，使用N7005A時，請確保先將兩個模塊（AutoProbe III接口模塊和O / E模塊）都已連接到示波器在接入光信號，以免損壞。
- 在Infiniium軟件里配置O/E探頭
在Setup-->Probe Configuration菜單下可以看到探頭信息：
圖8 Infiniium軟件里探頭信息和配置
點擊Options…,配置波長：
圖9 配置O/E探頭波長
除了標準波長之外，還支持用戶自定義波長。如果選擇“用戶定義的波長”選項，則需要在“響應度”(Responsivity)字段中手動指定和調(diào)整“響應度”值，以調(diào)整匹配此自定義波長的N7004A / 5A的轉(zhuǎn)換增益。
此外，還要在Infiniium軟件中配置示波器O/E探頭所用通道的帶寬限制和4階BT濾波器：
圖10 配置帶寬限制和設置4階BT濾波器
以上就是主要的一些設置。
- 暗電平校準
暗電平校準是在無光信號傳輸時將N7004A / 5A傳輸?shù)墓β蕿V除在外的過程。
當輸入通道無光信號時，示波器會識別N7004A / 5A內(nèi)部產(chǎn)生的偏移（暗電平）信號。去除這些內(nèi)部偏移信號然后由示波器從消光比計算中刪除以確保準確的測量結(jié)果。
暗電平校準在光信號測試中，至關(guān)重要。因為消光比和平均光功率等項目直接與光信號傳輸時的0電平值相關(guān)，而經(jīng)過暗電平校準后，即可去除本身殘留誤差，確保得到準確的0電平信號。因此在進行暗電平校準時，一定要緊密蓋住O/E模塊光纖輸入端口。
此外在調(diào)節(jié)示波器的垂直刻度和偏移乃至采樣率等參數(shù)后都要重新進行暗電平校準，改變O/E探頭的波長或響應度也需要重新進行，環(huán)境溫度發(fā)生變化以及示波器重啟都應當進行這一操作。
因此暗電平校準應當是進行測量前的最后一步。
此外在進行這一校準前，應當確保N7004A/5A熱機15分鐘以上。為了確保校準精確，確保緊密蓋住O/E探頭光纖輸入端口。
圖 11 O/E探頭暗電平校準示意圖
在完成設置和校準后，連接光纖信號輸入，即可進行光參數(shù)測量：
圖12 Infiniium軟件支持的光參數(shù)測量
針對消光比測量如下定義：
圖13 消光比測量定義
03. 結(jié)語
以上本文就當前面對高速光信號廣泛進入數(shù)據(jù)中心服務器系統(tǒng)的背景下如何充分發(fā)揮實時示波器的作用，以及Keysight推出的 N7005A光電探頭 和使用做了一些介紹。
隨著近年來Keysight UXR系列高帶寬，高采樣，10bit ADC實時示波器的面世，其低本底噪聲和固有抖動，配合全新的60GHz帶寬光電探頭N7005A，實時示波器相對采樣示波器在光信號測試領域短板基本補齊，而其相對采樣示波器的優(yōu)勢則依然穩(wěn)固。因此展望未來，是德科技的實時示波器在光電結(jié)合的核心網(wǎng)絡系統(tǒng)級產(chǎn)品的開發(fā)設計，故障調(diào)試到系統(tǒng)測試都將發(fā)揮更大的作用。