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Solución de prueba para tecnologías de transmisión de 21 a 32 gigabaudios

Introducción

Debido al rápido crecimiento del intercambio de información se utilizan o investigan estándares de comunicaciones a más velocidad, como 100, 200, 400 GbE y OTN, PCIe Gen4, USB3.1 y Thunderbolt 3, para transmisión y procesamiento a alta velocidad de grandes volúmenes de datos. Las tecnologías de telecomunicaciones para la implementación de transferencias de grandes volúmenes a alta velocidad se basan en las técnicas de señal PAM (Pulse Amplitude Modulation) y NRZ (Non-Return-to- Zero). Además, para interconexión de datos entre los equipos y sus módulos o componentes internos se necesitan velocidades más rápidas de la señal en formatos NRZ y PAM. La implementación de estas tecnologías se lleva a cabo mediante la investigación y el desarrollo de nuevos componentes o conceptos que es preciso evaluar y probar, lo cual a su vez ha dado como resultado que fabricantes de equipos de medida como Anritsu ofrezcan nuevos desarrollos dentro de su gama de analizadores de datos digitales.

Tecnologías de transmisión NRZ y PAM

NRZ (Non-Return-to-Zero) es el formato binario más utilizado y está constituido por dos niveles: 1 o 0. Ha evolucionado mucho desde sus inicios ya que ha pasado de un pequeño número de kbits/s hasta alcanzar en la actualidad casi 64Gbits/s. Hay módulos 100G formados por 4 canales de 25 / 28G. En todo el sector de las telecomunicaciones se están implementando técnicas PAM (Pulse Amplitude Modulation). La próxima generación de métodos de transmisión de 200 y 400 Gbits/s definidos por IEEE802.3bj, 100GBase-KP4 e IEEE802.3bs aumentan la capacidad de transmisión si se comparan con la técnica NRZ convencional sin por ello incrementar la velocidad en baudios gracias a la implementación de la tecnología de transmisión PAM. Mediante la señalización PAM4, en lugar de transferir 1 bit a uno de los dos niveles 0 o 1 en un intervalo de tiempo como en la señalización NRZ, se transfieren dos bits de datos a cuatro niveles en un intervalo de tiempo. En la señalización PAM8 se transfieren tres bits de datos a ocho niveles en un intervalo de tiempo. PAM tiene la ventaja de incrementar la capacidad de transferencia de datos sin aumentar la velocidad en baudios de la señal; en cambio, debido a que el nivel de tensión de cada señal en un intervalo de tiempo es más reducido, presenta el inconveniente de una peor relación entre señal y ruido (SNR).

Consideración acerca de las pruebas

Tanto si se trata de señales eléctricas u ópticas, NRZ o PAM4, se puede representar un diagrama general que representa el canal de transmisión sometido a la prueba. Se deben comprobar todos los enlaces de transmisión para confirmar que los datos se transmiten correctamente y que la red y sus equipos se pueden compartir en dos partes: una para la transmisión y una para la recepción de la señal. Cuando se realizan medidas en un equipo receptor, indicado como Rx en la Figura 2, es necesario aplicar una fuente de señal para comprobar su capacidad para detectarla correctamente. Para el equipo transmisor, indicado como Tx en la Figura 2, se pueden realizar pruebas con un osciloscopio y se deben validar contando los errores mediante un comprobador de BER (Bit Error Rate). Para efectuar una prueba completa de la Entrada/Salida del enlace, tanto si se trata de pruebas en enlaces de corta o larga distancia, a menudo se recurre a una configuración denominada Loopback, en la cual Rx se conecta a Tx. En la Figura 2, cuando se comprueba una señal óptica se añade un equipo como un modulador o demodulador óptico. En pruebas de comunicaciones digitales, uno de los equipos de prueba más importantes para el seguimiento de la fuente digital es el generador de patrones de pulso; este proporciona la imagen de la señal tal como transmitirá en la red real, pero debe tener las especificaciones (NRZ, PAM, eléctricas, ópticas) necesarias para efectuar las pruebas.

Esta señal es ideal para medir los defectos producidos a lo largo de la cadena de transmisión; para comprobar el componente Rx, esta señal se distorsiona de manera intencionada para reproducir fallos de la red. La otra alternativa consiste en colocar un detector de error, que sustituirá al receptor Rx de forma que pueda medir la tasa de error de la transmisión.

El generador de patrones de pulso

La alta calidad de la señal a la salida del generador es un requisito imprescindible y siempre que sea posible se deben ofrecer unas buenas especificaciones por lo que respecta a amplitud, tiempo de subida y bajada, fluctuación (jitter) intrínseca y ruido. Estas variables de prestaciones no son fáciles de obtener, especialmente para una velocidad de bits muy elevada; por ejemplo, para PAM4 se exigen una gran amplitud, bajo ruido y buena linealidad. Asimismo, debido a que el módulo o el canal sometidos a pruebas a menudo son diferenciales, las salidas del generador de patrones de pulso deberían ser diferenciales. Actualmente un generador de formas de onda arbitrarias no es capaz de proporcionar una calidad de señal tan alta como un generador de patrones de pulso.

Dependiendo de los estándares de las diferentes secuencias binarias utilizadas, el generador de patrones de pulso debería ser capaz de seguir todas estas recomendaciones; por ejemplo, QPRBS13 para CEI-56G y PRBS31Q para IEE 200G y 400G. Es posible que hagan falta varios canales del generador de patrones de pulso para las pruebas; una solución como el MP1900A de Anritsu ofrece hasta 16 canales sincronizados y el skew es ajustable. Una prueba de diafonía utiliza al menos dos canales, mientras que PAM-4, PAM-8 o la multiplexación para velocidades de bits más elevadas exige crear una combinación de estos canales. Otra función es la prueba de estrés: el generador de patrones de pulso es capaz de añadir defectos y mejoras a la señal somo si estuviera en un canal auténtico y esta señal transformada introducirá un estrés en el dispositivo o sistema sometido a prueba. Las especificaciones de estas transformaciones de la señal siguen las recomendaciones de estándares como IEC56G o IEEE 802.3.

Entre las exigencias de estas transformaciones de señal se encuentran: ajuste de amplitud, respuesta de frecuencia, ruido de amplitud, desviación de frecuencia, jitter, preamplificación, agrupación y separación de redes. El analizador de calidad de señal MP1900A es capaz de generar todo el estrés exigido por los estándares. En el caso de señales ópticas se utiliza un modulador externo. Anritsu cuenta con toda una gama de soluciones ópticas que ofrecen NRZ y PAM-4 con varias longitudes de onda. Amplificar la señal es una función importante del transmisor en un sistema de telecomunicaciones, por lo que el generador de patrones de pulso debe ser capaz de reproducir esta función. En el caso del MP1900A tiene la capacidad de ajustar la respuesta de frecuencia mediante 10 tomas. Esta función se puede aplicar de 3 modos: el modo Manual, en el cual el usuario puede ajustar manualmente las tomas; el modo Emulación, que utiliza parámetros S de 2 o 4 puertos para ajustar las 10 tomas (muy potente para agrupar o separar una red en el canal); y el modo ISI, que es una pendiente con dos puntos en frecuencias de Nyquist y ½ Nyquist. En estos tres modos se pueden ajustar las respuestas de frecuencia definidas para que cumplan estándares como IEC 28G / 25G.

El detector de error

Las capacidades del detector de error vienen determinadas por su sensibilidad para detectar y medir la señal a una determinada velocidad de bits; por ejemplo, una señal de 10mV p-p con un PRBS31 a 28Gb/s para una tasa de error de bit (Bit Error Rate, BER) igual a error 0. Esta señal podría ser NRZ o PAM-4. Para medir una señal, el detector de error necesita un reloj que se puede obtener de dos formas: externamente, de modo que las señales de datos y del reloj estén conectadas al detector de error, o bien se recurre a la recuperación de datos del reloj (clock data recovery, CDR) para poder extraer los datos. En el segundo caso es mejor que el CDR esté integrado en el detector de error puesto que así se reducen los errores de medida ocasionados por la longitud del cable. Para los estándares 25/28G es necesario ecualizar el canal de transmisión. Esta función está integrada en el detector de error del MP1900A para reproducir la misma configuración que el sistema. En la Figura 5 el ojo de la señal a la salida del ecualizador está abierto y se puede transmitir sin errores.

Anritsu ofrece dos soluciones para detección PAM-4, dependiendo de que las pruebas para los 3 niveles se realicen de manera secuencial y automática, en cuyo caso basta con un solo detector de error, o bien la solución alternativa que consiste en medir la señal en tiempo real, en cuyo caso se necesita un demodulador de PAM-4 y dos detectores de error. Además de la prueba básica, es fundamental que el detector de error mida la BER, pero también se pued en realizar otras pruebas, como contorno, diagrama de ojo, márgenes de ojo y curva de “bañera”. Estas medidas se basan en la BER y dependen de los umbrales de amplitud y fase. Otra variable importante es la tolerancia al jitter, en este caso el generador de patrones de pulso para la generación de jitter y el detector de error para la prueba están en condiciones de efectuar una prueba automática.

Nueva generación de comprobadores de BER

Muchas cosas han cambiado con la generación más reciente de comprobadores de BER. Las velocidades no solo han aumentado hasta 64 gigabaudios para aplicaciones electrónicas, sino que estos comprobadores ahora deben ofrecer algo más que la prueba básica de contar el número de errores. Estos comprobadores de última generación, denominados analizadores de calidad de señal, son capaces de generar o analizar señales de funciones complejas. Estos dispositivos integran funciones como pruebas de estrés e integridad de señal y permiten realizar medidas tomando como referencia los estándares definidos. Además, la relación entre comunicaciones de datos y telecomunicaciones implica que la necesidad de efectuar pruebas con analizadores de calidad de señal guarde relación con estándares como PCIe, Thunderbolt o USB. El analizador MP1900A de Anritsu es un analizador de calidad de señal utilizado para la investigación y el desarrollo de componentes y sistemas para redes. Anritsu también ofrece el comprobador MP2110A, que integra un comprobador de VER y un osciloscopio y se emplea para producir dispositivos 25 y 28G.



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