本作品介绍参与极术社区的有奖征集|分享研电赛作品扩大影响力，更有重磅电子产品免费领取!
团队介绍
参赛单位：上海大学
参赛队伍：ACTION-007
指导老师：张倩武
参赛队员：尤青 胡庆昆 刘雨欣
1. 作品背景
随着通信技术的发展，以及5G技术逐渐普及，其对光模块的传输速率需求逐年快速增长。以往光模块普遍采用NRZ调制方式，通过提高光模块载波频率以及复用通道数量的方式来提升光模块传输速率，但在200G光模块中载波频率已经达到了25GHz，并且多达8个通道集成封装在非常有限的空间内。受到接口速率以及功耗、发热等限制，在400G及今后更高速率的光模块中再想通过这样的方式提升速率已经非常困难。于是从提升信号调制效率角度出发，PAM4高阶调制方式取代NRZ调制在400G光模块中普遍应用，但这也使得以往专为NRZ光模块生产测试设计的误码测试设备不再有用武之地，若大量使用支持PAM4输出能力的实验室通用仪器设备又面临价格极其高昂的弊端。为了解决这个问题，我们设计并制作了一款400G PAM4高速误码测试仪，外观如图所示：
2. 作品创新点
相较于市面可见的众多NRZ误码测试仪以及少数PAM4误码测试仪，本作品拥有以下优势及创新性：
- 高性能：采用高精度时钟源，输出信号抖动均方值1ps,抖动峰峰值也仅有7ps，远优于光模块测试15ps的抖动要求；
- 低成本：使用与光模块同类型ASIC芯片，搭配ARM通用处理器，无需使用高端FPGA器件，大幅节省硬件成本；
- 宽量程：测试误码率覆盖10E-12到10E-1量级，通常10E-10到10E-5测试范围即可满足大多数光模块测试需要；
- 兼容性好：面向PAM4光模块设计，但可设置为NRZ模式，完全兼容以往25G、100G、200G等光模块测试，甚至每个测试通道可独立配置信号类型，以同时支持不同类型光模块混搭测试；
- 交互性强：搭载8寸IPS电容触摸屏，显示直观，操作简单，无需像其它大多误码仪产品一样必须连接电脑使用；
- 易于扩展：提供USB、以太网、RS232多种接口，内置可编程仪器标准命令（SCPI），为今后仪器联机实现全自动智能化调测提供可能。
3. 实现难点与解决方式：
误码测试仪作为一款测试设备，其自身信号质量好，检测灵敏度高是最基本也是最重要的要求，但400G光模块每个通道传输速率高达50Gbps，对误码测试仪硬件设计提出了很高的要求。为了应对这个挑战，我们采取了多种手段相结合。
- 模块化设计：由于高速PCB高昂的打样成本以及较高的设计风险，我们将每个模块根据工艺要求独立设计PCB，每个PCB间通过标准总线接口互联，独立迭代，降低耦合。系统框图及部分PCB照片如图所示：
- 前期仿真验证：同样由于高速信号的复杂性，在硬件设计前，有必要对电路中的关键传输线和连接器进行仿真。本设计主要涉及共面波导仿真，SMK连接器仿真、过孔阻抗仿真以及电源网络PDN阻抗分析等。示意图如图所示：
在作品的控制软件方面，软件底层需要完成对频率合成器、高速误码收发器、输入输出设备等驱动，上层需要完成人机交互GUI界面、误码测试状态配置和误码读取计算等多项工作，后台需要完成SCPI指令响应、系统状态监控、固件更新等。因此软件跨度大，涉及知识面广。考虑到非常有限的作品设计开发周期，本作品基于树莓派CM4计算模块开源平台，运行Linux操作系统，配合LVGL轻量级图形库，使用纯C语言开发，尽可能降低软件开发周期和维护难度。软件主体架构如图所示：
4. 作品实用性及应用前景
- 作品GUI界面设计：一个美观的人机交互界面和简单易懂的操作方式是衡量产品易用性的重要指标，本作品基于8寸电容触摸屏设计，简单触控即可完成全部操作，同时设计了两种颜色主题，显示简洁美观，如图所示：
- 功能VS性能：本作品作为测试仪器，输出信号质量是设计中考虑的重点和难点。本文使用KEYSIGHT公司的N1000A型数字通信分析仪（DCA）测量分析作品输出的信号眼图质量，任选其中一通道使用SMK电缆连接DCA，如图：
在PAM4模式和NRZ模式下所测得眼图如图所示：
可见无论哪种模式下眼图质量都较为优异。NRZ模式下还可进一步测量其具体参数，上图中可见其输出速率25Gb/s,抖动（Jitter）均方值仅为884飞秒。
之后我们使用自行设计的QSFP-DD光模块夹具板通过32根SMK高速电缆线连接误码测试仪与400G回环模块以模拟验证400G光模块测试能力，实物连接与测试结果如下：
- 联机自动化测试前景：现如今国内光模块厂商在光模块调测过程中普遍依赖人工操作，但人工调测效率低、成本高，所以已有部分厂商考虑研发自动化测试软件实现光模块自动化调测、校准、报告导出，这将是今后发展的必然趋势，但这要求调测中涉及的所有仪器具备联机操作能力。因此本作品设计过程中充分考虑此类需求，使误码测试仪具备可编程仪器标准命令（SCPI）指令通信功能。自动化调测具体实现方式不在本文讨论范围内，但这里以CWDM光模块为例给出自动化调测系统的一种连接方式，如下为系统框图和搭建测试的实物图，无论使用何种方式，误码测试仪产品都是其中不可或缺的重要一环。
更多研电赛作品请查看2021年研电赛获奖作品合集
