（通信与信息系统专业论文）sfp光模块数字诊断功能的研究与实现.pdf

型幽塑燮j 一1 渊嬲 摘要 近年来，光纤通信已成为当今信息社会不可或缺的神经系统。为了确保向光纤信 道提供可靠、高性能的光接口，支持日趋复杂的通信链路管理，人们在通信系统中广 泛采用了性能监测技术。光收发模块中的数字诊断功能就提供了一种低成本的性能监 测手段。通过光模块的数字诊断功能，网络管理单元可以实时监测收发模块的温度、 供电电压、激光偏置电流以及发射和接收的光功率。通过对这些参数的测量，管理单 元能迅速找出光纤链路中发生错误的具体位置，简化维护工作，提高系统的可靠性。 本文以深圳市亚光通信有限公司的“1 2 5 g b p s 光纤通道用单模光收发一体模块 重点项目为研究背景，深入介绍了光收发模块数字诊断功能的原理，用途以及具体实 现方法。在综合分析了国内外同类技术的发展以及公司现有技术条件的基础上，给出 了光收发模块测试板的实现方案，包括通信接口设计以及底层单片机控制程序的实 现。最后，为验证模块的性能，本文给出了光收发模块几个重要参数的测试方案，通 过反复测试、分析，其眼图以及接收灵敏度等几项重要指标均达到了预期设计目标。 本设计采用专用芯片d s l 8 5 9 实现模块的数字诊断功能。该芯片从发射部分 ( t o s a ) 的激光驱动器和接收部分( r o s a ) 相关引脚采集模拟信号，通过其内部 的a d c 将其转化为数字信号，并将该数字信号存储在根据s f f 8 4 7 2 协议预先划分 好的存储区域，完成了模块的实时数字诊断功能。同时，利用测试板上的单片机 ( s m 8 9 5 1 6 a ) 对其进行配置，为模块提供了与上位机通信的接口。 本设计的创新点在于将光模块的评估板和测试板合二为一，使其即能对模块进行 配置，又能对模块进行测试。 在本文的最后，给出了部分单片机通信的程序。 关键词：光收发模块；数字诊断；s f f 一8 4 7 2 协议；s f p 武汉邮电科学研究院硕十论文 a b s t r a c t f i b e rc o m m u n i c a t i o nh a sb e c o m et h ei n d i s p e n s a b l en e r v o u ss y e t e mo ft o d a y s i n f o r m a t i o ns o c i e t yi nt h e s ey e a r s i no r d e rt op r o v i d er e l i a b l e ，h i g hp e r f o r m a n c el i g h t i n t e r f a c et ot h ek e ya p p l i c a t i o ns u c ha so p t i c a lf i b e rc h a n n e l ，s u p p o r td a yb yd a yc o m p l e x c o m m u n i c a t i o nl i n km a n a g e m e n t , t h ep e o p l ew i d e l yu s e dt h ep e r f o r m a n c em o n i t o r t e c h n o l o g yi nt h ec o m m u n i c a t i o n ss y e t e m t h ed i 【g i t a ld i a g n o s i sf u n c t i o no fo p t i c a l t r a n s c e i v e rm o d u l ep r o v i d e do n el o wc o s tp e r f o r m a n c em o n i t o rm e t h o d b yd i g i t a l d i a g n o s i sf u n c t i o no fo p t i c a lt r a n s c e i v e rm o d u l e ，t h en e t w o r km a n a g e m e n tu n i tm a y m o n i t o rt h et e m p e r a t u r e ，p o w e rs u p p l y ，b i a sc u r r e n t ，t r a n s m i tp o w e ra n dr e c e i v ep o w e ro f o p t i c a lt r a n s c e i v e rm o d u l e t h r o u g hm e a s u r i n gt h i sp a r a m e t e r ，m a n a g e m e n tu n i tc a nf i n d t h ef a u l t p o s i t i o n o fo p t i c a l l i n k , s i m p l i f yt h em a i n t e n a n c ew o r k ，a n de n h a n c et h e r e l i a b i l i t yo fs y s t e m t h ep a p e ri su n d e rt h eb a c k g r o u n do f ”1 2 5 g b p ss i n g l em o d eo p t i c a lt r a n s c e i v e r m o d u l ew i t hd i s i t a ld i a g n o s i sf u n c t i o n ，w h i c hi sas i g n i f i c a n tp r o j e c to fs h e n z h e n y a g u a n gc o m m u n i c a t i o n sc o ，l t d t h ep r i n c i p l e ，p u r p o s ea n dd e s i g ns c h e m eo fd i s i t a l d i a g n o s i sf u n c t i o no fo p t i c a lt r a n s c e i v e rm o d u l e a l ei n t r o d u c e d t h et o t a ld e s i g ns c h e m eo f o p t i c a lt r a n s c e i v e rt e s t i n gb o a r d ，i n c l u d i n gt h eh a r d w a r ec i r c u i ts c h e m e ，t h ec o d ef o rm c u ， t h ec o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ea n dt h eh cc o m m u n i c a t i o nf u n c t i o n sa r ea l s og i v e na f t e r a n a l y z i n gt h eo v e r s e a st e c h n i c a ld e v e l o p m e n ta n dt h ee x i s t i n gt e c h n i c a lc o n d i t i o n so ft h e c o m p a n y as e r i e so ft e s t i n gs c h e m e sf o rs o m ei m p o r t a n tp a r a m e t e r so fs f p a l eg i v e na t t h el a s tp a r to ft h i st h e s i s a f t e rt i m e st e s t i n g ，t h ep a r a m e t e r ss u c ha se y e d i a g r a ma n d r e c e i v es e n s i t i v i t yo ft h es f pm o d u l ea r ec o i n c i d e n tw i t ht h ed e s i g nt a r g e t t h ed i g i t a ld i a g n o s t i cm o n i t o r i n gi sa c h i e v e db yu s i n gas p e c i a li c ，d s18 5 9 t h e a n a l o gs i g n a l sw h i c ha r ec o l l e c t e df r o mt h el do ft o s aa n dr o s aa l ec o n v e r t e dt o d i g i t a ls i g n a l sw h i c ha r es t o r e di nt h es p e c i a la r e aa c c o r d i n gt os f f 一8 4 7 2 i nt h i sw a y , t h e d d mf u n c t i o ni ss u c c e e d e d t h eh ci n t e i f a c ei sa l s op r o v i d e df o rt h em o d u l ea f t e r p r o g r a m m i n gt h em c u o nt h et e s t i n gb o a r d 武汉邮电科学研究院硕十论文 t h eo r i g i n a l i t yo ft h ed e s i g ni sc o m b i n i n gt e s t i n gb o a r dw i t he v a l u a t eb o a r d s o ，i t c a l lb eu s e dt ot e s ta n d c o n g f i g u r et h em o d u l e a tl a s t ，t h e r ei st h ep a r t i a lp r o g r a mo fm c ui nt h ea p p e n d i xo ft h ep a p e k e yw o r d s ：o p t i c a lt r a n s c e i v e rm o d u l e ，d i g i t a ld i a g n o s t i c s ，s f f 一8 4 7 2p r o t o c a l ，s f p 武汉邮电科学研究院硕十论文 1 1 课题研究的目的和意义 第1 章引言 随着i n t e m e t 的迅猛发展，通信技术的进步，电信业务的丰富以及全球一体化的趋 势，现有通信网已渐渐不能满足人们同益增长的对宽带高速数据以及多媒体通信的需 求，信息的传输和交换正向着光网络的方向发展【l 】【2 1 。 光纤通道( f i b e rc h a n n e l ，简称f c ) 体系于1 9 8 8 年开始发展，最新的基于光纤信 道的传输技术能实现和满足信道和网络环境需要的最好连接。光纤通道是唯一在技术 上可以实现光存贮网络的高可靠性、可应答性、可测量性、高吞吐量且满足广阔市场 领域和技术需求的短潜伏性的技术【3 】【4 】。一直以来，光器件和光纤通信网络的技术发 展是相辅相成的。现在光纤通信已经成为现代信息网络的主要传输手段，并且随着城j 域网和住宅小区的接入网市场的迅速增长，人们对光纤通信网络的核心器件光收发 一体模块的需求也迅速增长。为了满足系统不断增长的需求，光模块正不断走向复杂 性，多样性，并向智能化快速和高密度互连方向发展。智能s f p ( s m a l lf o r mf a c t o r p l u g g a b l e ，小型封装可插拔) 模块将成为新一代光收发一体模块中的亮剧5 1 。 智能s f p 模块，即具有数字诊断功能的s f p 光模块，是各厂商技术升级换代的标志。 性产品。它采用先进的精密光学及电路集成工艺制作，尺寸只有普通的双i s c ( 1 x 9 ) 型光纤收发模块的一半，可增加线路端口密度、降低每个端口的系统成本。此外，通 过光模块的数字诊断功能，网络管理单元可以实时监测收发模块的温度、供电电压、 激光偏置电流以及发射和接收的光功率。通过对这些参数的测量，管理单元能够迅速 找出光纤链路中发生错误的具体位置，简化维护工作，提高系统的可靠性。同时， s f f 8 4 7 2m s a ( s m a l lf o r mf a c t o r - 8 4 7 2m u l t i s o u r c ea g r e e m e n t ，小型封装8 4 7 2 多源 协议) 标准中定义了可由厂家和用户使用的内部存储器空间，用户可以用它实现许多 特殊功能，如加入用户最终识别代码，或设置模块故障警告门限等【6 】。 随着光纤收发器在技术成本方面不断地取得进展，加上短距离城域，接入网络， 光纤信道以及s a n 等网络的飞速发展，对光收发器的消耗必将出现大幅增加的趋势， 供应商在该市场的竞争将更加激烈。智能s f p 模块将成为新一代光收发一体模块的主 武汉邮电科学研究院硕十论文 流。 1 2 国内外研究的现状及动态 通过外部链路管理接口获取器件参数信息和故障信息，对器件的相关参数进行监 测已非新技术。自从上世纪8 0 年代以来，可靠性高的电信应用就使用了能监测各项参 数的分离的光发射机和接收机，这些参数基本上都是为了评估激光器的可靠性。上世 纪9 0 年代初，集成光收发模块也提供了类似的功能。 参数监测最早出现在1 9 9 8 年推出的s f f ( s m a l l f o r m f a c t o r ，小型封装) 模块中， 分别用5 个管脚来探测激光器的偏置电流、激光器发射光功率和接收到的光功率。这 些管脚提供了与每个器件参数成正比的输出电流或者电压。由于这些管脚给出的是模 拟输出信号，系统设计师就需要对这些输出值进行数字化以便进行相应的处理【7 】。 在国夕b s f p 光收发模块一经推向市场就得到市场的认可，国) s f p 封装的光模块 的传输速率从1 5 5 m b s 、1 2 5 g b s 、4 2 5 g b s 至l j1 0 g b s 相继开发完成，并且大部分已经 在国外大面积使用。传输距离也由开始的5 0 0 m 发展到现在的1 5 k m ，并向更高速率和 更远传输距离方向发展【引。 由于s f p 模块集成度高，p c b 上数据信号处理难度大，激光器小型封装精度高， 以及相关的器件散热控制特别难处理等相关难题，导致国内企业和研究机构开发s f p 器件的速度相对滞后。 1 3 课题研究工作及论文主要内容 本课题来源于深圳市亚光通信有限公司的重点项目：1 2 5 g b p s 光纤通道用单模光 收发一体模块。 该项目要完成的总体目标就是设计并开发出用于光纤通道技术的长距离光收发 一体模块( s f p ) ，带数字诊断功能，工作速率为1 2 5 g b p s , 要满足s f f 8 4 7 2 对数字 诊断的要求，对收发器内部关键参数( 电压、温度、偏置电流、发射和接收功率) 进 行实时监测。通过在线对收发器的工作性能进行实时自诊断，达到预先测试器件工作 状态及老化等情况，提供维修预报服务，为系统提供一种性能监测手段。 2 武汉邮电科学研究院硕十论文 在项目进行中，作者独立完成了s f p 光模块测试板套件数字诊断部分的设计，包 括测试板单片机部分的原理图设计和底层通信的代码实现。而对于s f p 模块的其它硬 件设计未深入研究，重点在于应用。由于篇幅所限，仅对个别部分的实现进行了详细 介绍。 本文的篇章结构为： 第一章为绪论，简要介绍了本论文选题的背景和意义，综述了带数字诊断功能的 光收发一体模块的国内外研究及发展现状，以及本人的研究工作。 第二章为模块数字诊断功能的研究，大体介绍了数字诊断的功能，s f f 8 4 7 2 协 议的有关内容以及诊断参数的细节。 第三章首先综述了实现s f p 模块数字诊断功能的总体方案，然后对带数字诊断功 能的s f p 模块的原理实现以及方案选择做了论述。 第四章对具体数字诊断功能的实现做了详细的论述，包括测试板上的微控制器主， 机的选择、通信接口的接口以及单片机控制程序的具体实现。最后对自动测试系统的 框架进行了简要介绍。 第五章为模块性能测试及分析，介绍了模块主要参数的测试方案和测试结果。 第六章对全文的总结，在此研究的基础上针对不足之处给出了展望。 3 武汉邮电科学研究院硕卜论文 第2 章模块数字诊断功能的研究 数字诊断功能为用户提供了有关发射信号和接收信号状态的关键信息。对于s f p 光收发模块，已经在一系列新型的扩展功能上达成了一致，s f f ( s m a l lf o r mf a c t o r ) 协会接受了文档s f f 8 4 7 2 。该文档定义了包括对s f p 模块光功率大小、激光器偏置电 流、温度和工作电压等在内的各种参数进行监测的方法。本章着重对数字诊断功能的 用途，s f f 8 4 7 2 协议的有关内容以及诊断参数的细节进行大致介绍。 2 1 数字诊断功能概述 光纤收发模块中的数字诊断功能为系统提供一种性能监测手段，可以帮助系统管 理员预测光模块的寿命、隔离系统故障并在现场安装中验证模块的兼容性【9 1 。 2 1 1 模块寿命预测 通过对光模块内部的工作电压和温度进行实时监测，可以让系统管理员发现一些 潜在的问题：电压过高，会带来器件的击穿；电压过低，激光器不能j 下常工作；接收 功率过高，会损坏模块；温度过高，会加速器件的老化等等。另外，功率的控制是通 过提高激光器的偏置电流( t xb i a s ) 来实现的。因此，可以通过监测激光的偏置电 流来预测激光器的寿命。这种方法可粗略地估计激光器的使用寿命是否接近终了。通 过对模块工作状念的分析来预测模块的寿命，对光模块进行故障预测，使系统管理员 在系统性能受到影响之前找到潜在的链路故障。通过故障预告，系统管理员可以将业 务切换到备份链路上或者替换可疑器件，从而在不间断业务的情况下修复系统【l 0 1 。 2 1 2 故障定位 在光纤链路中，定位故障的发生位置对业务的快速加载至关重要。故障隔离特性 则可以使系统管理员快速定位链路故障的位置。此特性可以通过对监测到的发射功 率、接收功率、温度、电压、偏置电流的警告和告警状态，内存镜像中的状态变量 t x f a u l t 和r x l o s 等信息进行综合分析，定位故障是在模块内还是在线路上；是在本 4 武汉邮电科学研究院硕十论文 地模块还是在远端模块。通过快速定位故障，减少了系统的故障修复时间。故障定位 中，需要综合分析状态位，管脚和测量参数1 0 1 。 2 1 3 兼容性验证 数字诊断的另一个功能是模块的兼容性验证，即分析模块的工作环境是否符合数 据手册或者与相关的标准兼容。比如电压是否超出规定的范围：接收光功率是否过载， 或者低于接收机的灵敏度；温度是否超出规定的温度范围等等。模块的性能只有在这 种符合要求的工作环境下才能得到保证。在有些情况下，环境参数超出数据手册或相 关的标准，将造成模块性能下降，从而出现传输误码【i o 】。 2 2 相关的协议及技术背景 s f p 模块数字诊断功能实现的主要依据就是s f f 一8 4 7 2 协议。本节首先简要介绍 了s f f 一8 4 7 2 协议的相关内容，然后对该协议中关于实现s f p 模块数字诊断功能的技 术背景进行了进一步的说明。 2 2 1 协议简介 s f pm s a 协议规定了模块的e e p i m 中划分一个2 5 6 字节的存储单元a 0 h ，用于 存储s f p g b i c 模块的一些特定信息，如模块的类型，序列号，生产日期，波长，支 持的链路长度，以及模块生产厂家的特定信息等。通过双线接口访问a o h 地址段内容， 得到模块自身的相关信息，有助于大型网络中对元件的库存管理。 s f f 8 4 7 2 保留了原来s f p g b i c 在地址a 0 h 处的地址映射，并新增了一个2 5 6 字节 的存储单元作为a 2 h 地址，其内存映象如图2 1 所示。在模块内部的电路板上侦测模块 的电压、温度、发射功率、接收功率以及偏置电流这5 个参数信号。然后对这些参数 进行标定校准后，得到数字化的测量结果及相应的校准常数。这个实时的测量结果保 存在a 2 h 地址的9 6 - 1 1 9 字节中。除了提供参数侦测信息外，还定义了警告标志或告 警条件，各个管脚的状态镜像，有限的数字控制能力和用户可写的存储单元。这些信 息都被存贮在标准的内存单元a 2 h 中，通过双线接口进行访问【9 】。 5 武汉邮电科学研究院硕十论文 s f pm s a 定义的 串行i d 信息 ( 9 6 个字节) 0 - 9 5 j 家定义的特定 信息( 3 2 个字节) 9 6 - - 1 2 7 s f pm s a 预留 ( 1 2 8 个字节) 1 2 8 2 5 5 撒警和警报门限值 o - - 5 5 校准常数 5 6 9 5 实时诊断接u 9 6 - - 1 1 9 ，+ 家特定信息 1 2 0 一1 2 7 用户可写e e p r o m j 家特定信息 2 4 8 2 5 5 图2 1s f f 8 4 7 2 数字诊断内存映象 看一个s f p 模块是否具有数字诊断功能，用户可以访问基本内存( a 0 h ) 的第9 2 个字节，该字节的第6 位标识了该模块是否具有数字诊断功能。作为对传统s f p 管脚 功能的补充，s f f 8 4 7 2 协议也规定了可以用软件来实现对其管脚功能的控制，如l o s 信号( 用来指示信号丢失) ，t x _ d i s a b l e 信号( 用来关断激光器发射) 。 2 2 2 校准常数 s f f 8 4 7 2 协议规定了诊断校准的类型，包括“内部校准 和“外部校准”。根据 地址9 2 h 相应位的设定来选择不同的监测校准类型。 1 内部校准【1 1 】 采用“内部校准 ，表明可根据生产厂家规定的工作温度和电压，将监测值校准 为绝对值。s f f 8 4 7 2 标准分别对电压、偏置电流、发射功率、接收功率规定了相应的 范围和分辨率。一旦校准值设定好，对原始数据进行相应的缩放，最后输出的数字值 将会符合标准中规定的数值范围。 内部测量模块温度。用一个1 6 位的带符号的补码值表示，增量为1 2 5 6 ，整个范 围在1 2 8 到+ 1 2 8 。虽然温度的精确性由生产厂家规定，但与实际的温度值相比， 误差必须在士3 之内。 内部测量模块工作电压。用一个1 6 位无符号整数表示( 0 - - 6 5 5 3 5 ) ，1 l s b 等于 1 0 0 # v ，整个范围是o + 6 5 5 v 。生产厂家会规定工作电压测量范围及测量的精确性， 在给定的电压和温度范围之内，误差不能超过厂家标称值的士3 。需要注意的是，在 6 武汉邮电科学研究院硕十论文 一些模块中，发射部分工作电压和接收部分的工作电压是分开的。在这种情况下，只 有一个电压被监控。 测量的t x 偏置电流以肚为单位。用一个1 6 位无符号整数表示( 0 - 6 5 5 3 5 ) ，i l s b 等于2 肚，整个范围是0 - - - - 1 3 1 m a 。精确性是厂商规定的，在规定的工作电压和温度 范围内，误差不能超过厂家标称值的士l o 。 测量的t x 输出功率是以m w 为单位。用一个1 6 位无符号整数来表示( 0 - 6 5 5 3 5 ) ， 1 l s b 等于0 i # w ，整个范围是0 - - 6 5 5 3 5 m w ( - 4 0 至u + 8 2 d b m ) 。精确性是厂家规定， 在给定的温度和电压范围内，误差在士3 d b 之内。当发射器被禁止时，数据是无效的。 测量的r x 接收光功率是以m w 为单位，根据第9 2 个字节( 地址a 0 h ) 第3 位的设 置情况，该值可表示是平均接收功率或光调制幅度( o m a ) 。用一个1 6 位无符号整 数来表示( - - 6 5 5 3 5 ) ，1 l s b 等于0 1 # w ，整个范围是0 - 6 5 5 3 5 m w ( 4 0 至s j + 8 2 d b m ) 。 精确性的绝对值依赖于精确的光纤波长。根据厂家给定的波长，在给定的温度和电压 范围内，误差不超过+ 3 d b 。 内部校准相当于一个可编程的增益，如图2 2 所示( 以发射功率的校准为例) ： 图2 2 内部校准示意图 2 外部校准【l l 】 采用“外部校准”，表明监测值是未经过处理的a d 转换结果，必须通过e e p r o m 中双线串行总线地址a 2 h 中位于第5 6 9 5 字节内的校准常数，将此结果转换到实际的数 值。在厂家给定的工作温度和电压范围内，校准是有效的。 外部校准可分为两类：线性和非线性。在线性情况下，需要两个常数，偏置和增 益。对每个原始数据x ，校准值y = a x x + b 。非线性情况包含了( n + 1 ) 个因子，n 为最 高次幂。 无论采用哪种方法得到a ，d 转换后的值，都包含了2 个传递函数： 7 武汉邮电科学研究院硕 ：论文 第一个是被测量的参数和施加在a i d 上的电压之间的函数关系。对于发射功率 来说，这是指光探测器的响应度。 v a d = f l x p a r a m ( 2 1 ) 其中，p a r a m 是被测量的参数，n 是转换过程的传递函数，即用电压来表明测量 参数的函数式，v a d 是输入a d 的电压。 第二个是输入到a d 的电压与校准值之间的函数关系。 n a d = g a i n x v a d + o f f s e t( 2 2 ) 其中，n a d 是a d 转换后输出的数字值，g a i n 是缩放因子。所以整个传递函数的 表达式为： n a d = f l g a i n p a r a m + o f f s e t( 2 3 ) 仍以发射功率为例，外部校准的过程如图2 3 所示： 图2 3 外部校准示意图 按照下列方程对每个参数进行校准，校准结果的误差范围与采用“内部校准”方法 的误差范围一致。 内部测量的模块温度。模块温度t 由下列方程给定： r ( c ) = z 蛳+ z | d + 互撇 ( 2 4 ) 其中t a d 为有符号的二进制数的补码，这个结果以1 1 2 5 6 c 为单位，温度的整个测 量范围在1 2 8 到+ 1 2 8 。测量的精确性由厂家规定，在给定的电压和温度范围之内， 误差不超过厂家标称值的4 - 3 。 内部测量的供应电压。模块内部的供应电压v ，由下列方程式给出，单位是州： 8 武汉邮电科学研究院硕十论文 y ( p 矿) = 匕f 咖匕d + 形卿 ( 2 5 ) 其中v a d 为1 6 位无符号整数，这个结果以1 0 0 # v 为单位，电压的整个测量范围在 0 - 6 5 5 v 。生产厂家会规定工作电压的测量范围以及测量的精确性。在给定的电压和 温度范围之内，误差不超过厂家标称值的士3 。需要注意的是，在一些模块中，发射 部分工作电压和接收部分的工作电压是分丌的。在这种情况下，只有一个电压被监控。 发射部分激光器的偏置电流。模块激光偏置电流i ，由下列方程式给出，单位是肚： ，( 衅) = 伽匕+ k 甜 ( 2 6 ) 其中i a d 为1 6 位无符号整数，这个结果以2 肚为单位，电流的整个测量范围从o 1 3 1 m a 。精确性是厂商规定的，在规定的工作电压和温度范围内，误差不能超过厂家 标称值的4 - 1 0 。 测量的耦合t x 输出功率。模块发射部分耦合输出功率t xp w r ，由下列方程式 给出，单位是弘w ： t x p 豫( p 形) = t x p 眦t x p ：心d + t x p 陟脚( 2 7 ) 其d p t x _ p w r a d 为1 6 位无符号整数，这个结果以0 i # w 为单位，输出功率的整个 测量范围在o 6 5 r o w 。精确性是厂家规定，在给定的温度和电压范围内，误差在 + 3 d b 。当发射器被禁止时，数据是无效的。 测量的接收光功率r x pw r ，由下列方程式给出，单位是# w - 触一p w r ( p w ) = 默_ p w r ( 4 ) 触一p 凇+ 触一p w r ( 3 ) 默一p 脓。3 ( 2 8 ) + 触一p w r ( 2 ) x r x 一尸阡鹦d 2 + r x p w r ( 1 ) x r x p 降咒d + r x p w r ( o ) 其中r xp w r a d 为1 6 位无符号整数，结果是以0 1 # w 为单位，接收功率的整个测 量范围是0 - - 6 5 m w 。精确度的绝对值依赖于精确的光的波长。对于厂家给定的波长， 在给定的温度和电压范围内，误差不超：i 扯3 d b 。 斜率校准常数( s l o p e ) 位于a 2 h 地址段第7 6 、8 0 、8 4 、8 8 字节。斜率校准常数是 无符号的定点二进制数。斜率总是正的。二进制小数点在高字节和低字节之间，即最 高有效位的第8 位和第9 位之间。高8 位有效字节表示了0 至 j 2 5 5 之间的整数部分，低8 位有效字节表示了在0 0 0 3 9 1 ( 1 2 5 6 ) 到o 9 9 6 1 ( 2 5 5 2 5 6 ) 范围内的小数部分。这种 形式能表示的最小实数是0 0 0 3 9 1 ( 1 2 5 6 ) ，最大实数是2 5 5 9 9 6 1 ( 2 5 5 + 2 5 5 2 5 6 ) 。 9 武汉邮电科学研究院硕十论文 增益校准常数( o f f s e t ) 由一个1 6 位有符号二进制补码来表示。最低有效位与“内部校 准”部分相应模拟参数的单位相同。例如：对于偏置电流，最低有效位为2 肚；对于 光功率，最低有效位为o 1 # w 。增益常数的范围是从+ 3 2 7 6 7 到3 2 7 6 8 1 2 1 。 2 2 3 报警和警告门限 s f f 8 4 7 2 分别对5 个参数定义了警告和告警门限。系统管理人员则根据收发模块 生产厂家规定的警告和告警的上下界来进行决策。告警信息表明有链路故障或者重大 功能问题。而警告信息则表明可能会违反规范或者可能会出现不理想工作条件【1 3 】。 使用这些指示器之后，很多系统控制器就可以获得实时监视功能，而不需要不断地轮 询并分析参数信息。一旦出现警报或者告警信息，主机就可以获取实时参数信息作为 对故障屏蔽的依据。 每个a d 量都有一个相应的高报警，低报警，高警告和低警告门限。这些由厂家 预先设置的值允许用户来决定何时某值在厂家规定的“标称”值之外。这些值在不同的 技术和不同实现方案中会变化。当采用外部校准时，由主机将数据在校准前或校准后 与报警和警告门限值相比。如果需要在校准前完成比较，必须首先对数据和门限值进 行校准。 当设置警报或警告标志时，存储在报警和警告门限区域内的报警和警告门限值， 可能会有温度补偿和其它调整。门限值补偿或调整是由厂家给定的。 报警标志与模块的温度，供应电压，t x 偏置电流，t x 输出功率和接收的光功率 相关，报警标志指明了可能与工作链路相关的情况，并引起立即反应。 警告标志与模块的温度，供应电压，t x 偏置电流，t x 输出功率和接收的光功率 相关，警告标志表明了在规定的正常工作范围之外的情况，但是不会立即引起链路的 故障1 1 4 】。可由厂家来规定某种特定的标志作为元件寿命终止的指示，如在一个恒定的 功率控制环路下，比期望的偏置电流高。 1 0 武汉邮电科学研究院硕卜论文 2 3 参数监控的细节 2 3 1 温度因素 由于s f p 能够应用在1 g b p s 至u 2 5 g b p s 的系统中且具有很小的外形，它们的布局通 常都很紧凑。这样就影响了气流的冷却，导致模块工作温度的升高。在高密度的应用 中，监测每个模块的温度可以进行系统热性能评估。以前，在系统测试阶段通常采用 热耦来测量光模块内部的温度。然而，这种方法在现场应用的时候无法使用。现在， 可以通过安装在内部p c b 板上的传感电路方便地得到s f p 的测量温度，测量值可以用 来观察系统工作温度是否发生漂移，从而根据经验可以来判断是否是由于系统热环境 失效而造成的温度波动【1 5 】。 2 3 2 电压因素 由于s f p 模块的热插拔特性使得光模块内部工作电压变得不稳定，再加上在供电 滤波器网络的电压降，模块内部的电压将会比供电电压c t 1 0 0 m v 甚至更多，从而造成 模块的工作电压不符合规定电压值范围。同样，模块的工作电压可以通过内部p c b 板 上安装的传感电路来进行测量。这些测量值也可以用来观察工作电压的漂饬从而来 判断是否是因为系统供电环境失效而造成的电压波动【1 6 】。 2 3 3 偏置电流因素 一直以来，在对收发模块进行可靠性预测时，最有效的参数是激光器偏置电流。 通常，s f p 模块内部通过一个闭环反馈电路来改变激光器的偏置电流，从而稳定激光 器的输出光功率，使其工作在恒定的光输出功率模式【1 7 】。我们知道，在激光器电流超 过其阂值时，才能产生并保持半导体激光器相应的光输出功率。因为激光器的光电转 换效率和阈值都会随温度而改变，所以需要改变其偏置电流来稳定激光器的输出光功 率。如果激光器偏置电流的变化不是因为温度或工作电压变化而引起的，那就表明激 光器存在潜在的稳定性问题。当然，要区分是j 下常的偏置电流变化还是激光器稳定性 问题造成的电流变化还需要一些深入分析。在温度和电压条件都恒定的情况下，激光 武汉邮电科学研究院硕十论文 器偏置电流是不应该有波动的。 对每种特定的器件，各个厂家都会提供偏黄电流的最大值和最小值。系统软件会 把实际的偏置电流与这些极限值进行比较，从中发现引起激光器毁坏性后果的问题。 为了进行更精确的可靠性预测，在比较的时候就必须考虑到s f p 的工作条件。在相同 的温度条件下，偏置电流的升高就意味着激光器的劣化。 2 3 4 输出与输入光功率因素 激光器的输出功率很容易受到温度和激光器老化的影响。为了获得稳定的光功 率，自动功率控制是必不可少的。在s f p 模块激光器同一基片旁边都有一个背向的光 电探测器( 即光电二极管) 用来监测激光器的输出光功率。通过它的光反馈可以自动 调节偏置电流，从而保证光输出功率稳定【l s j 。光电二极管的电流也用来对平均发射光 功率进行实时监控。典型的s f p 模块都工作在恒定功率模式，其发射光功率很少会发 生波动。一旦发现发射光功率有很大变化，说明s f p 可能已损坏，再也无法正常工作。 对于接收光功率，s f p 规范为厂家提供了灵活的选择，既可以监测平均光功率也 可以监测光调制幅度。千兆以太网的8 0 2 3 协议和s o n e t a t mo c 4 8 规范则使用平均 光功率作为接口规范。1 g b p s 和2 g b p s 光纤信道协议f c p i 使用光调制幅度作为输入光 接i ：3 规范【1 9 1 。系统安装工程师可以用手持式的光功率计方便地测出平均光功率。如果 是通过监测光调制幅度来得到接收光功率的信息，就需要为系统安装和调试工程师提 供附加的判断标准，使其可以更容易判断链路( 包括链路和远端光发射机) 是否符合 规范【2 0 】。 1 2 武汉邮电科学研究院硕十论文 第3 章带d d m 的s f p 模块的技术方案 本章首先简单介绍了实现s f p 模块数字诊断功能的总体方案，然后重点给出并分 析了发送、接收及数字诊断部分功能实现的方案。 3 1 实现s f p 模块数字诊断功能的总体方案 要实现s f p 模块数字诊断功能，主要是实现s f p 光模块与上位机的通信。从而 通过人机交互，实现对光模块相应参数的监视和调控。本设计中整个系统由三个部分 组成：带数字诊断功能的s f p 光模块、带微控制器的s f p 测试板以及人机交互界面。 其原理框图如图3 1 所示。 稳鬻h 焉黼纠上位机的s f p 光模块r 卜叫s f p 测试板r 卜1 1 上位机 图3 1 实现s f p 模块数字诊断功能的总体框图 ( 1 ) 带数字诊断功能的s f p 光模块 实现s f p 模块数字诊断功能的前提是，s f p 模块本身带有数字诊断功青害。在本章， 随后的小节中，将具体介绍s f p 光收发模块发送、接收及数字诊断部分功能实现的 方案。 ( 2 ) 带微控制器的s f p 测试板以及人机交互界面 带微控制器的s f p 测试板可以实现对s f p 模块e e p r o m 中相应参数的监视和配 置，并通过上位机通信软件实现人机交互。其具体实现将在第4 章中详细介绍。 3 2 带d d m 的s f p 光模块的工作原理 本设计方案应用于存储网光纤通道领域，其作用是完成光源驱动，光电转换以及 告警输出。模块接口包括电接口及光接口两部分。电接口使用2 0 p i n 会手指连接方式， 用于输入和输出数据信号、状态信号及控制信号，其中数据信号r d + - 和t d + 为 l v p e c l 电平，状态输出及控制信号输入为l v t t l 电平。光接口使用双l c 形式，用 1 3 武汉邮电科学研究院硕十论文 于输入和输出光信号。模块可将输入的电信号转换成光信号输出，并将输入的光信号 转换成电信号输出。 s f p 模块符合s f pm s a ，带数字诊断功能，符合s f f 8 4 7 2 协议。具有热插拔、易 升级及高可靠等优点，降低了系统的成本。模块由独立的发射、接收、存储器及数字 诊断三部分组成，如下图3 2 所示。 r d 十， l o s t d + - t x d i s t x f a u l t s d a s c l 图3 2 带d d m 的光收发模块原理图 接收部分一般由r o s a ( 接收组件) 及主放大器组成，其中r o s a 由p d 及前置放 大器组成。从模块接收光接口处输入模块的光信号，通过模块内部的光电二极管( p d ) 转换为电信号，输入到前置放大器( 即图3 2 中的“前放”) 进行放大。前置放大器具 备a g c 功能( 自动增益控制) 。对小功率输入光转换后的小幅度电信号采用大增益的 放大倍数，而对大功率输入光转换后的大幅度信号采用小增益的放大倍数，从而使其 输出的电信号幅度波动小于输入光信号功率的波动幅度。主放大器将经过前置放大器 放大后的电信号进行二级放大，并输出。这样，输入模块的光信号经过上述光电转换 及二级放大后，在模块的电输出端能够保持恒定的输出，不会随输入光信号的大小变 化而发生波动。 发射部分一般f l ：i t o s a ( 发射组件) 及l d 驱动电路组成，而t o s a 一般由激光器 ( l d ) 及光电二极管( p d ) 组成。l d 驱动电路用于驱动和控制l d 。首先，输入模 1 4 武汉邮电科学研究院硕十论文 块的电信号由l d 驱动电路接收，并调制到l d 的驱动电流上，驱动l d 发出带有数据调 制信号的激光。l d 驱动电路具备a p c 功能( 自动光功率控制) ，可根据监控l d 发光 大小的背向光接收p d ( 为区别于上面接收部分的p d ，我们简称l d p d ) 输出电流大 小，确定加给l d 的驱动电流大小。通过a p c 电路，l d 驱动电路可实现动念调节l d 驱 动电流大小。当l d 发光变大时，上述l d p d 输出电流变大，l d 驱动电路减小加给l d 的驱动电流，以使l d 发光变小；反之，当l d 发光变小时，l d 驱动电路将增加驱动电 流以增大l d 发光，从而保证l d 发光功率保持恒定。 存储器及数字诊断部分根据模块功能要求不同而有增删。带数字诊断( 简称 d d m ) 的s f p 模块具备d d m 及支持d d m 的存储器，而不带d d m 的s f p 模块只具备 e e p r o m 单元。基本的e e p r o m 单元主要用于存储模块类型、接口形式、传输特性、 产品型号、流水号、制造日期等信息；而带d d m 功能的s f p 模块除了储存上述的基本 信息外，还有一系列的数模和模数转换电路，用于模块的五个参数，即电压、温度、 激光器偏置电流、输出光功率和输入光功率的实时监测。五个d d m 参量首先由采集 电路进行采集转换，然后送至数字模拟转换电路( a d c ) 输入端。a d c 电路将送来 的五个模拟电压量转换成数字信号，经译码电路存放于支持d d m 的存储器的相应地 址位置的字节上。 3 3 带d d m 的s f p 光模块的总体设计目标 本设计方案的目标是设计、开发出带d d m 的1 2 5 g b p s 光收发模块，光模块应满 足如下目标： ( 1 ) 用于光纤通道技术的短距离光收发一体模块( s f p ) ，工作速率为1 2 5 g b p s ； ( 2 ) 工作时的传输距离为大于1 0 千米； ( 3 ) 采用双向l c 的s f p 封装，具有符合s f f 8 4 7 2 协议的数字诊断功能。 ( 4 ) 符合m s a 的光接口、电接口及机械接口等标准的s f p 收发器的结构，具有 热插拔和自动诊断功能。 本方案的技术指标如表3 1 所示模块的时序指标要求如表3 2 所示。 1 5 武汉邮电科学研究院硕十论文 表3 1 模块额定工作条件 参数符号最小值典溅值最人值 单位 ：1 。：作管壳温度 t co2 57 0 ：1 ：作电源电压 v c c+ 3 1+ 3 3+ 3 5 v jl ：作速率 1 2 5 g b p s 表3 2 模块时序指标要求 参数符号最大值 单