CN101640566A - 10Gbps误码分析测试仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种10Gbps误码分析测试仪，旨在提供一种成本低廉，操作简单、方便，便于携带，适合工程现场测试的误码分析测试仪。它包括一个能与PC机进行通信的评估板，评估板上有一个连接被测试设备的误码测试芯片；一个用于与上位PC机和下位测试芯片进行通信的C8051系列的单片机，该单片机上设置有连接PC机进行通信的USB接口，还有连接误码测试芯片进行通信和控制的I2C两线式串行总线。误码测试芯片通过单片机向PC机提供发出的比特流量和误码总数，发出的比特流量由单片机记录的测试时间和测试芯片输出的指定频率得到。本发明具有方便、快捷、误码分析测试准确特点，适合于10Gpbs通信系统的性能测试。

Description

10Gbps误码分析测试仪

技术领域

本发明涉及一种用于安装和维护高速10G光网络的光通信仪器仪表，更具体地说，本发明涉及一种主要对10Gbps左右的通信设备进行误码分析的误码分析测试仪。

技术背景

在通信系统中，网络维护人员经常会遇到通信线路连接不通，通信数据接收不到，通信线路误码率高，通信网络规程不匹配，通信网络设备连接不上等问题。误码分析测试仪是帮助维护人员迅速找出网络问题所在，解决网络问题和线路质量测量的重要工具。它主要对数据通信设备和线路进行安装测试、工程验收、日常维护，实现数据通信线路通道测试、故障查找、信令分析等功能，是判断数据通信线路是否正常的必不可少的测试工具。提供广泛的通信协议，适用于设备安装，在线和离线诊断，调测和接口开发。

误码率(BER)是一项非常重要的指标。随着通信技术的不断发展，传输速率越来越高，误码测试的速率也在不断提升，串行数据流的速度不断提高，而误码规范也越来越严格，这使误码率测试变得越来越重要。目前，廉价的误码测试仪的测试速率一般集中在2.5Gbps以下，高至10Gbps速率的4端口SONET/SDH以及Q因子的高端误码测试仪被美国胜利公司、Agilent、TEKTRONIX、JDSU等国际巨头所垄断。这种带有用于减少光网络单元的安装时间的现场可设计模块的误码分析测试仪，功能多，操作复杂。在10Gbps日益成为主流宽带设备的今天，一种功能简单且成本低廉的10Gbps误码测试仪成为各大设备商和运营商挑战性的竞争对象。

一般而言，10Gbps误码分析测试仪的工作原理是从电口端发送伪随机码序列，通过光源器件转化为光信号，然后发送给被测试器件，从被测试器件出来的光信号通过光电转化模块转化成电信号，返回给误码分析测试仪进行误码分析。现有技术中的10Gbps误码分析测试仪大部分的核心器件基本都是现场可编程门阵列。并通过对现场可编程门阵列编程提供一个数据发送模块，接收模块和计数模块对误码进行监控；并由外部提供的一个时钟数据恢复模块，恢复接收信号的码型。

10Gbps误码分析测试仪对网络元件的同步以及时钟信号和数据信号的相位稳定性有着特别高的需求。用于在理想点上(每个位的中心)对传输信号进行取样的时钟信号，是接收器对传输信号本身时钟恢复阶段得到的。由于信号上的低频抖动，得出的时钟信号跟随着频率变化，而只要抖动振幅不是特别的大，那么取样一般都是没有误差的。由于高频抖动，时钟恢复电路对于变化的跟随不能达到使信号取样没有误差的程度。在相位变化大于时钟周期的一半时(＝0.5UI，或单位间隔)，错误的有效载荷信号取样就是不可避免的了，它造成了误码。其他因素可以更进一步地减少判定域值的范围。如果抖动振幅太高，那么有可能有效载荷信号会失去同步(帧丢失，LOF)。抖动传递特性说明了网元通过使用合适的技术减少或提高输入信号和输出信号之间抖动幅度的能力。这种抖动的减少对于在网状网络中防止在几个网段上积聚抖动尤其是必需的。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足之处，提供了一种成本低廉，操作简单、方便，便于携带，适合在工程现场测试的10Gbps误码分析测试仪。

本发明的上述目的可以通过以下措施来达到。本发明提供的一种10Gbps误码分析测试仪，包括，一个联结测试模块器件，并能与PC机设置的用户交互界面软件进行通信的评估板，其特征在于，评估板上，设置有一个连接被测试设备的误码测试芯片，用于伪随机码序列的发送、接收和误码检测计数，并同时向被测试设备输出、输入检测信号；一个与该芯片相连接的时钟发生器，用于提供数据发送频率；一个用于与上位PC机和下位测试芯片进行通信的C8051系列的单片机，该单片机上设置有连接上述PC机进行通信的USB通信接口，还有连接误码测试芯片进行通信和控制的I2C两线式串行总线，误码测试芯片通过单片机向PC机提供发出的比特流量和误码总数，发出的比特流量由单片机记录的测试时间和测试芯片输出的指定频率得到。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。

本发明只用了一个包含数据发送模块、接收模块、时钟数据恢复模块、计数模块，对误码进行监控的测试芯片，将以上所有的模块功能都包括了，只需把相关的寄存器配置成误码测试功能即可；并且该芯片DSPLL技术，它能在高频下防止抖动的产生。具有高效、精简、方便等特点。主要体现在以下几个方面：

操作简单。对测试人员没有很高的技能要求，无需对测试员进行专门的培训，测试员只需用PC上提供的用户操作界面进行选择、设置，就可方便地操作进行误码测试。不像很多大多数误码测试设备仪器，操作复杂，使用不便。

携带方便。该发明的误码分析仪集成度高、体积小、低功耗，合在工程现场测试。由于本发明硬件部分只有一个测试评估板，和其它大多数误码测试设备比起来要小巧、轻便。可以用来10Gbps通信系统的性能测试，比如稳定性、抖动及光通信中的灵敏度、消光比等。

成本低廉。本发明最大的特点在于成本非常低廉。由于电路结构简单，元器件少，相比于现有技术大多数的10Gbps误码测试系统设备，其成本仅有其1％不到。

误码分析测试方便、快捷、准确。通过实现伪随机码序列的发送、接收和误码检测计数，能够设置伪随机码的码型、输出数据反向、发送码速率等，可以方便地通过用户操作界面，实现人机交互和控制设备，准确地测试和显示出被测设备的误码率。

实用性强、稳定性好、操作方便。比如稳定性、抖动、相位容差及光通信中的灵敏度和消光比等测试。适合于10Gpbs通信系统的性能测试。

附图说明

图1是本发明10Gbps误码分析测试仪的组成框图。

图2是本发明的测试评估板的连接方式图。

图3是本发明安装在PC机上的测试软件的使用流程图。

图4是本发明测试软件的用户操作界面图。

具体实施方式

下面结合附图和实施实例对本发明进一步说明。

参阅图1。图1描述了本发明的一个最佳实施例。本发明的10Gbps误码分析测试仪主要包括，一个与被测器件连接的测试评估板，它并能与PC机设置的用户交互界面软件进行通信。在图2所示的测试评估板上，设置有一个用于伪随机码序列的发送、接收和误码检测计数的误码测试芯片模块。该误码测试芯片连接被测试设备，并同时向被测试设备输出、输入信号。

所述微控制器为C8051系列的单片机，用于与上位PC机、下位测试芯片进行通信。该单片机上有固件代码，它通过测试评估板上的USB通信接口与PC机相连，并通过USB通信接口与上位PC机通信。用户交互界面测试软件运行在PC机上。测试评估板上，在单片机与测试芯片之间具有能简单、有效通信的两线式串行总线I2C。它用来对测试芯片进行控制，通信。I2C总线是由PHILIPS公司开发的两线式串行总线。

C8051系列的单片机可以选用Silicon Labs公司的C8051F320单片机。该C8051F320单片机通过测试评估板上的USB通信接口与PC机相连，它为上位PC机提供测试芯片总共发送出去的比特流量，测试时间和误码总数；它通过两线式串行总线I2C对误码测试芯片进行控制。PC机通过USB接口与评估板上的单片机相连，PC机上的用户操作界面通过USB接口与单片机进行通信；单片机通过两线式串行总线I2C与误码测试芯片进行通信，对测试芯片进行初始化，测试信息、状态读取等；被测试设备与误码测试芯片相连接，测试芯片直接发送伪随机码对被测设备进行测试。

用于为误码测试芯片提供参考时钟的参考时钟发生器连接测试芯片上。参考时钟发生器可以选用的型号为Si534晶振芯片；它是一款多频率晶振，它为用户提供了四款可选的参考时钟。参考时钟晶振芯片可以选用Si534、Si570或其它基于PLL技术的时钟发生器。

上述误码测试芯片可以选用10Gbps XFP收发模块，可以选用Silicon Labs公司的Si5040芯片。Si5040这款芯片作为误码测试处理芯片的Si5040芯片是一款高性能，与协议无关的10Gbps的XFP收发模块。它包括了一个独立的时钟数据恢复模块(CDR)，防抖动的时钟倍频模块(CMU)，以及数据重定时模块。选用该芯片是基于工作电压、处理速度、价格、支持的接口类型和功耗等因素确定的。Si5040中有个发送数据长度设置的寄存器，长度在被切换的时候，误码计数器会被清零而重新开始计数。把此功能作为开始误码计数的开关，对开始计时控制。当开关关闭时，发送有限长度的数据序列，用于判断是否同步、信号丢失、时钟丢失，记录的误码无效；当开关开启时，误码计数器被清零，数据发送模块开始发送无限长度的数据序列，误码计数器开始计数。同时，单片机会监控误码计数器的状态，看误码计数器是否发生翻转。

初始化时，用户在人机交互接口对回环、码型、输出反向以及速率进行选择，Si5040相应的寄存器会被设置。根据用户做出的选择，初始化相应的寄存器，设置误码计数器翻转值、信号丢失门限值等。判断是否同步、信号丢失、时钟丢失，成功设置后，给出设置成功信号。

结束计时：用户发送一个读取信息，将Si5040中的误码值读取出来，然后再到单片机中把时间和误码寄存器翻转次数读取出来。

测试结果返回时：可根据读取到的误码值、记录时间、寄存器翻转次数计算出误码率，显示在用户界面；同时，也把误码总数和记录时间显示出来。

上述误码测试处理芯片含有：

1)数据发送模块。根据提供的晶振输出制定的频率；发送伪随机码序列作为测试系统的信源比特流，以及提供发送数据流的切换开关；该模块提供了伪随机码序列数据发送模块。因此只需对相应的寄存器进行设置，即可发送PRBS31、PRBS7等信源数据。当回环为Line Loop时，向寄存器0x9D写入0x11为PRBS7，写入0x22为PRBS31；当为XFI Loop时，向寄存器0x1D写入0x11为PRBS7，写入0x22为PRBS31。

2)数据接收模块。接收通信系统输出给被测设备的比特流，并恢复接收到的时钟和数据；根据接收的比特流判定是否同步，信号丢失和时钟丢失。该模块在接收到数据之后，首先由时钟数据提取恢复模块把接收到的数据提取出所需要的时钟和数据，并与同步比特流进行比较；比较的同时，会判定是否伪同步，告警信号丢失，告警时钟丢失。当为Line Loop时，同步状态在寄存器0x89的第二位显示，信号丢失和时钟丢失状态在寄存器0x09的第四、五位显示；与之对应的XFI Loop分别在寄存器0x09的二、四、五位显示。

3)开关模块。该模块提供了一个发送有限字节长度和无限字节长度选择的寄存器。在选项之间切换时，误码计数器会清零重新开始计数。于是可以把发送有限长度字节作为测试开关的关闭状态，同时也可检测是否同步；把发送无限长度字节作为测试开关的开启状态，作为真正测试时的工作状态。当回环为Line Loop时，向Si5040的寄存器0x9E写入0x00，开关开启，同时C8051F320内部计时器开始计时；同理，当为XFI Loop时，向Si5040的寄存器0x1E写入0x00即可。

4)误码检查模块。该模块在误码产生后，误码值会被放入寄存器中。当为Line Loop时，Si5040的寄存器0xB0、0xB1、0xB2、0xB3、0xB4按高端模式记录了误码值；与之对应的XFI Loop为0x30、0x31、0x32、0x33、0x34。

与PC机相连得C8051F320芯片单片机含有：

1)通信模块：它将PC机发送的参数，初始化测试芯片，并将测试芯片的测试结果返回给PC机。单片机与上位PC机通过USB接口进行信息交互，将PC发送的参数，初始化Si5040；将Si5040测试结果返回给PC。该通信模块通过两线式串行总线I2C与下位机误码测试芯片进行设置信息交互。并通过USB接口与上位机PC进行控制信息交互；

2)设置模块：用于对测试芯片进行寄存器设置和读取测试结果。单片机与Si5040通过两线式串行总线I2C进行信息交互，对寄存器设置和测试结果的读取。

3)计时模块：用于记录误码测试过程的时间。在测试之前，计时器首先要清零。Si5040开始测试的时候，单片机的计时器开始计时，根据所记录的时间和发送数据的速率，PC机即可计算出发送数据模块总共发送的比特数。

4)监控计数翻转模块：用于监控误码测试芯片误码计数器的翻转情况。测试一开始，C8051F320会每隔0.1秒去读取Si5040的误码计数翻转状态寄存器，当为Line Loop时，读取寄存器0x89的第三位；当为XFI Loop时，读取寄存器0x09的第三位。当状态由“1”变为“0”时，翻转计数加1。

图中所指被测试设备可以是光电转换模块和系统级的光通道、电通道。

参阅图2。图2描述了本发明的测试评估板的连接方式：评估板的TXDOUT端口与发光器件相连，从TXDOUT发送出来的伪随机序列码会被转化成光信号。转化后的光信号与被测器件相连接，通过被测器件后的光信号与接收器件相连，接收器件会把光信号转化成电信号送回测试评估板的RXDIN端口。PC机会通过USB通信接口和测试评估板上的单片机，单片机通过两线式串行总线I2C和Si5040相连。

参阅图3。图3描述了本发明安装在PC机上的测试软件的使用流程图。该测试软件LabWindows/CVI是针对测试领域的ANSI C语言开发环境，具有丰富的库函数，每个函数都提供函数面板，专业化的图形界面设计的控件，并且能提供交互式的编程环境和丰富的调试手段。它是安装在PC机上，用于与测试人员进行测试交互的一个测试软件，。

该测试软件提含有：

1)参数设置部件

回环设置模块：提供Line Loop和XFI Loop的选择按钮来选择回环类型。当C8051F320向Si5040的寄存器0x02，写入0x5C时，选择的是Line Loop；写入0x5A时，是XFI Loop。

频率设置模块：提供9.95Gbps、10.31Gbps、10.70Gbps和11.10Gbps四个频段的选项。该频率用于计算发送数据模块的总数。

码型设置模块：提供PRBS7和PRBS31的选项。当为Line Loop的时候，C8051F320向Si5040的寄存器0x9D，写入0x11为PRBS7，写入0x22为PRBS31；当为XFI Loop的时候，向Si5040的寄存器0x1D，写入0x11为PRBS7，写入0x22为PRBS31。

输出数据反向设置模块：提供输出数据反向选择。当为Line Loop时，C8051F320向Si5040的寄存器0x9C，写入0x42输出数据反向；当为XFI Loop的时候，向0x1C写入0x42输出数据反向。

2)初始化部件

初始化分为Line Loop和XFI Loop两种情况。首先向Si5040的寄存器0xB8和0x38写入0xF5，工作频率即可达到11.1Gbps以上。然后当为Line Loop时，向寄存器0xAF写入0x1B，设置误码计数翻转的门限值。设置完成之后，寄存器0x89的第一位为零，即为同步，寄存器0x09的第四、五位为零，分别表示信号未丢失、时钟未丢失。这时，把初始化成功的信号灯变绿，显示误码率的面板可使用。同理，XFI Loop也一样，翻转门限值设置是向0x2F写入0x1B。同步、信号丢失和时钟丢失分别判断寄存器0x09的第二、四、五位是否为零。初始化成功后把信号灯变绿，开启误码率显示面板。

3)开关功能部件

开关功能主要是控制发送数据模块发送数据，同时使C8051F320开始计时。

1)测试结果显示模块

测试结果显示模块主要完成读取测试时间，读取测试误码数，读取测试误码计数器翻转个数，计算误码率，显示误码率。读取测试时间，PC机通过USB读取C8051F320的寄存器即可。误码计数器翻转次数由单片机记录，PC机只需读取C8051F320的寄存器即可。接着把读取的结果通过公式：误码率＝(误码数+2^40×翻转次数)/(测试时间×速率)，即可计算出误码率。其中2^40是由于误码计数器有40-bits。最后把误码率显示在用户操作界面上。

参阅图4。本发明的工作方式与现有设备器件的工作方式大致相同：它首先会从电口端发送伪随机码序列，通过光源器件转化为光信号，然后发送给被测试器件，从被测试器件出来的光信号会通过光电转化模块转化成电信号，返回到误码分析测试仪，从而进行误码分析。

PC机上提供的操作界面是由LabWindows/CVI开发的用户操作界面，是人机交互输入、输出接口，用来初始化仪器设备和显示仪器设备测试结果；单片机通过被测试设备的信号通道后，返回到测试芯片，测试芯片中有时钟数据恢复模块，它会提取时钟和数据，然后通过芯片的误码检测机制，计算出误码数。最后，上位机把得到的误码数和发送的总的比特流量读取出来然后相除，即可得到误码率。

开机启动后，用户通过PC机上提供的用户操作界面进行各种工作参数设置和对误码测试芯片进行初始化。其中包括回环选择、输出频率的选择、数据输出反向选择以及码型选择。初始化是对芯片寄存器的设置，使它被配制成所需要的误码分析仪的形式。所有的设置都是通过单片机把配制参数传递给误码测试芯片的寄存器的。接着，用户打开用户操作界面上的开关按钮，误码测试芯片根据刚刚的配置信息，开始发送测试码型，即信源数据。同时，单片机里的计时器开始计时。信源数据通过被测试设备后，由误码测试芯片接收模式接收到，通过对发送码与接收码的逐位比较，比较后的结果会在误码计数寄存器里面保存。另外，单片机会监控误码计数寄存器是否计满，发生返转，它会每隔一定时间去读取误码测试芯片的状态寄存器，判断计数寄存器是否发生翻转。当用户发送读取误码率的信号的时候，PC机会通过单片机把误码测试芯片中的误码计数寄存器中的数据读取出来，同时也会得到单片机中计时时间和误码寄存器发生翻转的次数。PC机会把结果分析后显示给用户，从而实现了界面友好的人机交互误码分析检测平台，使测试人员方便、简单地测试误码。

Claims (10)

1.一种10Gbps误码分析测试仪，包括，一个联结测试模块器件，并能与PC机设置的用户交互界面软件进行通信的评估板，其特征在于，评估板上，设置有一个连接被测试设备的误码测试芯片，用于伪随机码序列的发送、接收和误码检测计数，并同时向被测试设备输出、输入检测信号；一个与该芯片相连接的时钟发生器，用于提供数据发送频率；一个用于与上位PC机和下位测试芯片进行通信的C8051系列的单片机，该单片机上设置有连接上述PC机进行通信的USB通信接口，还有连接误码测试芯片进行通信和控制的I2C两线式串行总线，误码测试芯片通过单片机向PC机提供发出的比特流量和误码总数，发出的比特流量由单片机记录的测试时间和测试芯片输出的指定频率得到。

2.按权利要求1所述的10Gbps误码分析测试仪，其特征在于：所述的误码测试芯片，包括一个独立的时钟数据恢复模块(CDR)，防抖动的时钟倍频模块(CMU)，以及数据重定时模块。

3.按权利要求1所述的10Gbps误码分析测试仪，其特征在于：所述的误码测试芯片还含有：

数据发送模块：根据提供的晶振输出制定的频率，发送作为测试系统信源比特流的伪随机码序列，以及发送数据流的切换开关；

数据接收模块：接收通信系统输出给被测设备的比特流，并恢复接收到的时钟和数据；根据接收的比特流判定是否同步，信号丢失和时钟丢失；

开关模块：供一个发送有限字节长度和无限字节长度选择的寄存器。

误码检查模块：根据测试结果，记录误码总数，并将误码值放入上述寄存器中。

4.按权利要求1所述的10Gbps误码分析测试仪，其特征在于：所述的单片机含有：

通信模块：它将PC机发送的参数，初始化，将测试芯片的测试结果返回给所述PC机；

设置模块：用于进行寄存器设置和读取测试结果；

计时模块：用于记录误码测试过程的时间和计算误码测试芯片发送数据模块总共发送的比特数；

监控误码计数器翻转模块：用于读取误码测试芯片的误码计数和寄存器的翻转状态，并监控误码计数器是否记录满，并发生翻转。

5.按权利要求1所述的10Gbps误码分析测试仪，其特征在于：所述的误码测试芯片是型号为Si5040的芯片，单片机是型号为C8051F320的单片机。

6.按权利要求1所述的10Gbps误码分析测试仪，其特征在于：PC机通过USB通信接口和测试评估板上的单片机相连，单片机经两线式串行总线I2C和Si5040相连。

7.按权利要求1所述的10Gbps误码分析测试仪，其特征在于：所述的时钟发生器是Si534、Si570或其它基于PLL技术的晶振芯片。

8.一种使用按权利要求1所述10Gbps误码分析测试仪的PC机，其特征在于：PC机提供的测试软件是用ANSIC语言开发环境设计的具有库函数，图形界面设计的LabWindows/CVI控件，且能提供交互式的编程环境和调试手段，并安装在PC机上，用于测试人员进行交互的一个测试软件。

9.如按权利要求8所述的PC机，其特征在于：所述的测试软件含有：

参数设置部件、初始化部件和开关功能部件，其中，

参数设置部件含有：

回环设置模块：提供Line Loop和XFI Loop的选择按钮来选择回环类型；

频率设置模块：提供9.95Gbps～11.10Gbps至少四个频段的选项；

码型设置模块：提供PRBS7和PRBS31的选项；

输出数据反向设置模块：提供输出数据反向选择；

上述初始化部件含有为Line Loop和XFI Loop两种模式，首先向误码测试芯片的寄存器0xB8和0x38写入0xF5，然后，当为Line Loop时，向寄存器0xAF写入0x1B，设置误码计数翻转的门限值；

所述的开关功能部件，是控制所述发送数据模块发送数据，使上述单片机C8051F320开始计时的部件；

它还含有测试结果显示模块，主要完成读取测试时间，读取测试误码数，读取测试误码计数器翻转个数，计算误码率，显示误码率。

10.如按权利要求9所述的PC机，其特征在于：所述的误码率＝(误码数+2^40×翻转次数)/(测试时间×速率)，由于误码计数器有40-bits，所以每翻转一次，表示有2的40次方个误码产生。

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