基于A(yíng)DμC7020的高速誤碼測試儀

長(cháng)期平均誤碼率，簡(jiǎn)稱(chēng)誤碼率(BitErrorRate，BER)，是光通信網(wǎng)絡(luò )及設備的重要指標之一。目前光通信網(wǎng)絡(luò )及設備正朝著(zhù)小型化、高頻率、高速率、大容量的方向發(fā)展，對作為測量?jì)x器的誤碼測試儀速率及功能的要求也越來(lái)越高。雖然國內外儀器儀表廠(chǎng)，如安捷倫(Agilent)、泰克(Tektronix)等推出了各種高速誤碼測試儀，但是大多價(jià)格昂貴，并且系統復雜。所以，對于國內通信行業(yè)，開(kāi)發(fā)一種價(jià)廉、方便、速率可達10 Gb／s的高速誤碼測試系統，具有實(shí)用價(jià)值。

1 系統概述
本誤碼測試系統由兩部分組成：誤碼測試部分和上位機人機界面部分。其中誤碼測試部分由高速誤碼儀、光衰減器、光功率計和光源等組成。高速誤碼儀以微控制器ADμC7020為核心，控制XFP收發(fā)控制器Si5040來(lái)實(shí)現。
ADμC7020是ADI公司的基于A(yíng)RM7TDMI的體系結構的控制器，支持16／32位精簡(jiǎn)指令集(RISC)。片內集成了12位的ADC(1MSPS)、4通道12位帶緩沖的DAC、電壓比較器、62 KB可在系統中編程(ISP)的片內閃速／電擦除存儲器Flash和8 KB RAM，串行接口包括UART、SPI、2個(gè)I2C、用于下載／調試的JTAG端口、4個(gè)定時(shí)器、14個(gè)通用I／0引腳、片內可編程邏輯陣列(PLA)。CPU時(shí)鐘高達45 MHz，可使用片內晶體振蕩器和片內PLL。
Si5040是Silicon Laboratories公司高速物理層(highspeed PHY)產(chǎn)品線(xiàn)的產(chǎn)品。采用其已通過(guò)市場(chǎng)驗證的DSPLL技術(shù)，同時(shí)在數據發(fā)送和接收路徑提供信號抖動(dòng)消除功能的10 Gb／s XFP收發(fā)器。Si5040支持3種不同的模擬與數字信號質(zhì)量監測功能，分別是模擬信號LOS監測、CID(連O或連1)監測以及專(zhuān)有的數字眼圖開(kāi)度測量功能，還提供線(xiàn)路環(huán)回測試、XFI回路測試和接收／發(fā)送雙方向的PRBS碼流生成和檢查功能。
此設計中，ADμC7020作為控制器，對Si5040芯片進(jìn)行配置和初始化，完成誤碼數的采集，并作為整個(gè)系統上位機和Si5040之間的橋梁，及時(shí)向上位機提供測量的誤碼及狀態(tài)值等數據；Si5040完成偽隨機碼型(PRBS)的產(chǎn)生、同步及對比檢測，計算出誤碼數(Error Count)；上位機由LabWindows／CVI構造的測試平臺，通過(guò)上位機PC的并口(LPT)模擬I2C總線(xiàn)讀ADμC7020所構建的寄存器映射表，將測試系統各器件的狀態(tài)(包括Si5040)及誤碼數顯示出來(lái)，計算誤碼數和測試時(shí)間內的總發(fā)送碼數的比值得出誤碼率(BER)，通過(guò)I2C總線(xiàn)讀寫(xiě)ADμC7020的寄存器表完成對系統各部分(包括Si5040)的控制和查詢(xún)。

2 原理及組成
誤碼測試儀框圖如圖1所示。

2．1 測試原理
在數字光纖通信系統中，經(jīng)常測試或驗證系統和器件的誤碼率指標，若要獲得精確的測試結果，必須進(jìn)行無(wú)限長(cháng)時(shí)間的試驗。根據統計置信度原理，只要驗證數字系統或器件的誤碼率指標是否優(yōu)于某一規定標準，即可在測量精度和測試時(shí)間之間進(jìn)行折中處理，而且仍能保證測試結果的可信度。產(chǎn)生誤碼的主要原因是傳輸系統的噪聲和脈沖抖動(dòng)，誤碼性能用誤比特率BER來(lái)衡量。但在實(shí)際測量中，常以長(cháng)時(shí)間測量中誤碼數目與傳送的總碼元數之比來(lái)表示BER，BER=錯誤比特數／傳輸總的比特數。
由于這是一個(gè)統計過(guò)程，因此當被測比特數接近于無(wú)窮大時(shí)，被測BER才能接近實(shí)際BER。但是在大多數情況下，只需測試小于預定義閾值的BER即可。完成測試所需的比特數取決于所需的置信度和BER閾值。置信度是指，系統的真實(shí)BER小于指定BER時(shí)的測試占全部測試的百分比。由于無(wú)法測量無(wú)窮位，也無(wú)法準確預測什么時(shí)候會(huì )出現誤碼，因此置信度永遠不會(huì )達到100％。另外，IEEE802．3規定最壞情況的誤碼率是10E-10。在這種條件下，出現的誤碼不會(huì )降低網(wǎng)絡(luò )的性能，因為所有的網(wǎng)絡(luò )軟硬件都按這個(gè)要求建立。因此，這個(gè)條件下出現的噪聲將不足以改變接收端的比特值，不會(huì )造成誤碼。一般情況下，選擇的誤碼率標準比IEEE標準高出100倍，并把10E-12誤碼率稱(chēng)為零誤碼率。零誤碼率意味著(zhù)每10萬(wàn)億位中產(chǎn)生的誤碼小于1個(gè)。置信度的公式如下：

其中CL為置信度，Nbits為接收的總比特數。
在生產(chǎn)和測試中，只考慮零誤碼且置信度為標準的95％的情況，用比特數除以數據速率可確定測試所需時(shí)間。得出常用的方程式如下：

對于10 Gbps的系統，測試30 s基本可以達到10E-12的要求。
Si5040的發(fā)端模塊產(chǎn)生偽隨機碼序列數據流，作為通信系統的信源數據流，收端模塊接收通信系統輸出的比特流，并與本地產(chǎn)生的與發(fā)端形式相同的偽隨機碼比特流相比較，如比較結果不同即系統有誤碼。Si5040在收端和發(fā)端信道上都有可編程的模式生成器和檢查器。發(fā)端信道通過(guò)配置寄存器(tpSel Register 157)，收端信道通過(guò)配置寄存器(RxtpSel Register 29)，可以生成PRBS7、PRBS31或者64位用戶(hù)自定義碼型。模式檢查器還提供了不同步信號(Loss-of-Sync)檢查。在同步情況下，測試中發(fā)端的誤碼值結果存于Si5040中40位的寄存器組(tp-ChkErrCnt registerl76-180)和一個(gè)8位浮點(diǎn)數的寄存器(tpChkErr register 181)。收端的誤碼值結果存于40位寄存器組(RxtpChkErrCntRe-gister48-52)或8位浮點(diǎn)數據類(lèi)型的寄存器(RxtpChkErr Register 53)。本設計僅使用Si5040的發(fā)端信號的模式生成器和檢查器功能。