Khi tốc độ mỗi làn vượt qua 50 Gb/s, ngành truyền dẫn quang từ bỏ điều hoà nhị phân NRZ và chuyển sang PAM4. Đổi lại băng thông, kỹ sư đo kiểm mất luôn công cụ quen thuộc nhất của mình: mặt nạ mắt. Bài viết này giải thích vì sao đo PAM4 cần một đại lượng hoàn toàn khác — TDECQ — trình bày công thức và cơ chế của nó, rồi đối chiếu bản đồ tốc độ thật từ 53 GBd của hôm nay tới nhãn SerDes 224G đang tới, kèm đánh giá thẳng thắn về việc thiết bị nào đo được tới đâu.
Vì sao PAM4 thay NRZ và cái giá phải trả
NRZ mã hoá một bit trên mỗi ký hiệu bằng hai mức. PAM4 dùng bốn mức biên độ để mang hai bit mỗi ký hiệu, nên với cùng tốc độ ký hiệu, thông lượng tăng gấp đôi — hoặc nói cách khác, để đạt cùng tốc độ dữ liệu, tần số Nyquist chỉ còn một nửa. Đó là lý do PAM4 trở thành lựa chọn bắt buộc: kênh truyền vật lý đơn giản là không đủ băng thông cho NRZ ở các tốc độ này.
Cái giá phải trả nằm ở biên độ. Bốn mức chia cùng một khoảng biên độ thành ba mắt xếp chồng, nên mỗi mắt chỉ cao bằng một phần ba so với mắt NRZ tương đương. Quy ra decibel, tỷ số tín hiệu trên nhiễu bị thiệt 20·log₁₀(3) ≈ 9,5 dB ngay từ định nghĩa, trước khi tính đến bất kỳ suy hao nào của kênh truyền.
Thiệt hại đó lớn tới mức PAM4 không thể vận hành ở tỷ lệ lỗi bit thấp như NRZ. Thay vào đó, hệ thống chấp nhận tỷ lệ lỗi thô khá cao rồi giao cho mã sửa lỗi FEC xử lý. Toàn bộ triết lý đo kiểm thay đổi theo: câu hỏi không còn là “mắt có hở không”, mà là “máy thu tham chiếu có khôi phục được tín hiệu ở tỷ lệ lỗi mục tiêu không”.
Vì sao mặt nạ mắt không còn đủ
Mặt nạ mắt là phép thử hình học: vẽ một đa giác vào giữa eye diagram, nếu không có mẫu nào chạm vào thì đạt. Cách này hoạt động tốt với NRZ vì có đúng một mắt và máy thu không cân bằng phức tạp.
Với PAM4 có ba mắt, và quan trọng hơn, máy thu thực tế luôn có bộ cân bằng. Một máy phát cho mắt trông xấu nhưng méo có cấu trúc — kiểu méo mà bộ cân bằng dễ dàng gỡ — có thể tốt hơn hẳn một máy phát cho mắt trông đẹp nhưng nhiễu ngẫu nhiên cao. Mặt nạ hình học không phân biệt được hai trường hợp này, vì nó đánh giá tín hiệu tại điểm sai: trước bộ cân bằng thay vì sau.
TDECQ: định nghĩa và công thức
TDECQ (Transmitter and Dispersion Eye Closure Quaternary) được định nghĩa là mức phạt công suất quang của máy phát đang đo so với một máy phát lý tưởng — tức lượng công suất quang phải tăng thêm để máy phát thực đạt được cùng độ mở mắt như máy phát lý tưởng. Đơn vị là dB, và số càng nhỏ càng tốt.
Công thức:
TDECQ = 10·log₁₀ [ OMAouter / ( 6 × Qt × √(σG² + σS²) ) ]
Trong đó Qt = 3,414, giá trị tương ứng với tỷ lệ lỗi ký hiệu mục tiêu 4,8 × 10⁻⁴ cho PAM4 mã Gray. σS là nhiễu thực tế của bản thân hệ thống đo, còn σG là lượng nhiễu Gauss mà thuật toán được phép cộng thêm vào cho tới khi chạm tỷ lệ lỗi mục tiêu.
Cơ chế đọc ra như sau: thuật toán “bơm” nhiễu nhân tạo vào tín hiệu cho tới khi máy thu tham chiếu bắt đầu mắc lỗi ở đúng ngưỡng quy định. Máy phát càng tốt thì càng chịu được nhiều nhiễu bơm vào trước khi hỏng, σG càng lớn, mẫu số càng lớn, TDECQ càng nhỏ. Đây là một phép đo dự trữ, không phải phép đo hình dạng.
OMAouter — biên độ điều chế quang giữa hai mức ngoài cùng — không lấy từ eye diagram mà đo trên hai chuỗi ký hiệu đặc biệt: hai UI ở giữa của một dãy bảy UI liên tiếp ở mức 3, và của một dãy sáu UI liên tiếp ở mức 0. Lý do là cần biên độ ở trạng thái đã ổn định hoàn toàn, không bị ảnh hưởng bởi chuyển mức.
Bộ cân bằng tham chiếu và hai cửa sổ histogram
Phần khiến TDECQ khác biệt hoàn toàn với mặt nạ mắt là bộ cân bằng tham chiếu nằm ngay trong định nghĩa phép đo. Chuẩn quy định một bộ cân bằng tiến FFE 5 nhánh, và các trọng số nhánh được tự động điều chỉnh để cho ra giá trị TDECQ nhỏ nhất.
Đây là chi tiết dễ gây tranh cãi nhất khi hai phòng lab so kết quả: vì bộ cân bằng tự tối ưu, kết quả phụ thuộc vào thuật toán tối ưu hoá. Hai máy cùng đo một mô-đun có thể lệch nhau nếu phần mềm hội tụ về các bộ trọng số khác nhau.
Vị trí lấy mẫu cũng được quy định chặt: các histogram nằm tại 0,45 UI và 0,55 UI tính từ thời điểm cắt trung bình của dạng sóng. Với bốn mức và hai vị trí, tổng cộng có tám histogram dọc được dựng cho mỗi phép đo. Hai vị trí lệch nhau 0,1 UI này chính là cách chuẩn ép phép đo phải tính đến độ nhạy với sai lệch thời điểm lấy mẫu — điều mà một mặt nạ tĩnh không làm được. Toàn bộ quy trình được mô tả trong điều khoản 121 của IEEE 802.3.
Bản đồ tốc độ: 53 GBd, 106 GBd và nhãn 224G
Đây là phần gây nhầm lẫn nhiều nhất, vì cùng một liên kết được gọi bằng ba con số khác nhau tuỳ chỗ đứng.
Thế hệ 100G mỗi làn. IEEE 802.3ck định nghĩa giao diện điện 100 Gb/s mỗi làn. Tốc độ đường truyền thực là 106,25 Gb/s, chia cho 2 bit mỗi ký hiệu PAM4 ra 53,125 GBd. Đây là công nghệ đang chạy đại trà trong các mô-đun 400G và 800G hôm nay.
Thế hệ 200G mỗi làn. IEEE 802.3dj nâng lên 200 Gb/s mỗi làn, dùng để dựng 800GbE bằng bốn làn và 1,6TbE bằng tám làn. Tốc độ đường truyền là 212,5 Gb/s — phần dôi 6,25% dành cho FEC và mã khối 256/257 — tương ứng 106,25 GBd PAM4.
Nhãn “224G”. Con số này đến từ chuẩn điện OIF CEI-224G, cho phép tốc độ đường truyền lên tới 224 Gb/s, tức 112 GBd PAM4. Nói cách khác, 224G là tên của lớp SerDes điện, còn 200G/làn là tên của lớp Ethernet chạy trên nó. Chúng không phải hai thứ khác nhau, nhưng cũng không phải cùng một con số.
Chọn thiết bị: cái gì đo được tới đâu
Phép đo TDECQ chuẩn mực chạy trên máy hiện sóng lấy mẫu, không phải máy hiện sóng thời gian thực. Lý do là nhiễu nội tại: σS trong công thức là nhiễu của chính máy đo, và nó ăn trực tiếp vào kết quả. Máy lấy mẫu có nền nhiễu thấp hơn nhiều nên “trả lại” dự trữ cho máy phát thay vì cướp mất.
Máy hiện sóng lấy mẫu DCA-M Keysight N1092D có bốn kênh quang, hỗ trợ cả NRZ lẫn PAM4, chạy phần mềm FlexDCA trên PC, với jitter nội tại dưới 200 fs rms. Mặt máy có sẵn nhãn TDEC cùng các tốc độ lọc tham chiếu, cho thấy đây là thiết bị được thiết kế thẳng cho nhóm phép đo này.
Cần nói rõ giới hạn để tránh kỳ vọng sai: N1092D làm việc trong dải 8,4 đến 64 GBaud. Dải này bao trọn 53,125 GBd của thế hệ 100G mỗi làn, nhưng không tới được 106,25 GBd của 802.3dj hay 112 GBd của CEI-224G. Nếu lộ trình sản phẩm của bạn dừng ở 400G/800G thế hệ hiện tại thì đây là công cụ đúng; nếu bạn đang phát triển cho 1,6T thì cần nền tảng lấy mẫu thế hệ mới hơn, chẳng hạn kiến trúc mô-đun của máy hiện sóng Keysight N1000A DCA-X, nơi khối lấy mẫu và khối băng thông có thể nâng cấp độc lập theo thế hệ.
Với phần điện của cùng bài toán — gỡ rối kênh, đo jitter máy phát, kiểm tra chất lượng tín hiệu trước khi vào mô-đun quang — thì cần máy hiện sóng thời gian thực băng thông cao như Infiniium V-Series Keysight DSOV334A 33 GHz. Cách phân tích jitter và dựng biểu đồ mắt trên nền tảng thời gian thực đã được chúng tôi trình bày riêng trong bài đo jitter và eye diagram cho tín hiệu tốc độ cao.
Bốn lưu ý thực hành khi đo TDECQ
1. Nhiễu máy đo là một phần của kết quả. Vì σS nằm trong mẫu số, một máy đo nhiễu cao sẽ báo TDECQ xấu cho một máy phát tốt. Luôn kiểm tra nền nhiễu trước khi kết luận về mẫu thử.
2. Mẫu tín hiệu phải đúng. OMAouter cần các dãy bảy UI mức 3 và sáu UI mức 0 liên tiếp. Nếu mẫu phát không chứa các dãy này, phép đo không có cơ sở tính OMA.
3. Ghi lại phiên bản thuật toán cân bằng. Do trọng số FFE tự tối ưu, hãy ghi phiên bản phần mềm vào báo cáo. Đây là biến số hàng đầu khi hai bên tranh cãi về kết quả không khớp.
4. Hiệu chuẩn đường quang. Suy hao của dây nhảy, đầu nối bẩn và bộ suy giảm đều dịch OMA. Một đầu nối quang bẩn có thể tạo ra vài phần mười dB TDECQ giả — đủ để đánh trượt một lô hàng đạt chuẩn.
Kết luận
Đo PAM4 đòi hỏi bỏ hẳn tư duy hình học của thời NRZ. TDECQ không hỏi mắt có đẹp không, mà hỏi máy phát còn bao nhiêu dự trữ trước khi máy thu tham chiếu chạm tỷ lệ lỗi mục tiêu — một câu hỏi khó chịu hơn nhưng đúng với cách hệ thống thật vận hành. Khi lập kế hoạch đầu tư thiết bị, hãy đối chiếu thẳng tốc độ ký hiệu mục tiêu với dải baud của máy đo, vì khoảng cách giữa 53,125 GBd và 112 GBd không phải là một bước nâng cấp phần mềm.
Techmaster Electronics là đại lý ủy quyền Keysight tại Việt Nam, tư vấn cấu hình đo kiểm quang và điện tốc độ cao theo đúng thế hệ chuẩn bạn đang nhắm tới. Phòng hiệu chuẩn đạt ISO/IEC 17025 bảo đảm nền nhiễu và đáp tuyến của thiết bị đo vẫn nằm trong đặc tính công bố — điều kiện bắt buộc để một con số TDECQ có ý nghĩa. Hotline 0908 173 345.
