高速数字接口与光电测试

数字化正以不可逆转的趋势重构我们的生活。
当珠峰被缕金光照耀时，8848米的风景被数字化后经5G网络和二氧化硅的单模光纤传送到千里之外； 当开启一天工作进行新产品设计时，创意思想在DDR内存和CPU纳米级别的原子迷宫里曲折往返； 当宅家玩高清游戏时，虚拟世界通过PCIe总线在GPU的乘加阵列里做快速的矩阵旋转； 当开启GPS自驾旅行时，从卫星接收和计算的位置信息在数字化地图上被精确标注和指引。
随着互联网上数据流量的爆发和AI应用的落地，高性能服务器、大规模数据中心、5G基站、高速光网络等已经成为新基建的核心基础设施。为了应对计算和带宽的压力，数字接口和光互联技术正以每3~5年一代的速度快速升级迭代。
本书前一版本《高速数字接口原理与测试指南》成书于2014年，汇集了当时比较流行的一些高速数字接口技术和测试方法，也得到了读者的大力支持。但随着技术的快速迭代，原书有些关于主流接口的内容逐渐过时。而且随着电连接技术不断被推向极限，光互联技术也从阳春白雪开始走入千家万户，有必要对其做专门的剖析。因此这本《高速数字接口与光电测试》在保留原书架构的基础上做了大的更新和增删，其中约有一半和高速光电互联有关的章节为全新内容，希望能够帮助读者构架起高速数字总线、高速光电互联的基础概念，了解相关行业的前沿进展及测试技术。但因篇幅所限，很多技术内容没有充分展开，关注具体技术细节的读者可以进一步阅读相关的专业文献，本书就作为对当前高速数字连接技术发展的一个记录吧。
本书第1、2章先介绍了高速数字信号的上升时间、带宽、建立/保持时间、并行总线/串行总线、单端与差分信号、时钟分配、编码方式、传输线的影响、预加重和均衡、抖动和扩频时钟、链路均衡、PAM4调制等基本概念，随后详细解释了数字信号的波形、眼图、模板、抖动、相位噪声、传输线影响以及测试分析方法等。
第3～9章针对一些典型高速接口如USB3.0、USB4.0、PCIe4.0、PCIe5.0、DDR4/5、LPDDR4/5、HDMI1.4、HDMI2.1、DP2.0、千兆/10G以太网、SFP 、车载以太网、100G背板、GDDR/HBM、CCIX、CXL、NVLink、GenZ、InfiniBand等的标准发展、技术演变、测试方法等做了详细介绍。
第9~13章主要介绍了光纤原理、多模光纤、单模光纤、保偏光纤、光纤连接器种类、模场直径、光信号调制、TOSA/ROSA组件、VCSEL/FB/DFB光源、DML/EML/MZM调制技术、PIN/APD探测器、光模块封装类型、硅光技术、Copackage、光纤链路预算、FEC、I/Q调制等技术，并详细解读了光接口速率发展、并行单模、并行多模、粗波分复用、细波分复用、密集波分复用、多模波分复用、Mux/DeMux、单纤双向、偏振复用等基本概念，以及中心波长、平均光功率、消光比、光调制幅度、眼图模板、J2/J9、VECP、TDP、TDECQ、光压力眼、EVM等参数的概念和测试方法。
第14~20章介绍了数据中心的光互联技术、数据中心内部25G/100G/400G网络结构与发展、数据中心间的DCI网络、5G光承载网的关键光互联技术、100G/400G光模块类型与光电接口测试、800G光互联的挑战与关键技术、CEI28GVSR电接口测试、112G电口测试、224G光口测试，以及高速光电器件的发展、光无源器件测试、有源器件测试、硅光晶圆测试、相干通信技术发展与测试方法等。
本书在写作过程中，借鉴了一些Keysight公司的公开产品及方案资料，一些实际测试波形由笔者借助Keysight公司的测试设备完成，特此声明。
笔者2021年9月

本书结合笔者多年从业经验，从产业技术发展的角度对高速数字信号与光电互联的基本概念、关键技术进行生动讲解，同时结合现代计算机、移动终端、AI计算、数据中心、电信网络中**的接口技术，对其标准演变、测试方法等做了详细介绍，以便于读者理解和掌握高速数字与光电互联的基本原理、实现技术、测试理念及其发展趋势。 本书可供从事服务器、交换机、移动终端、光模块、光通信设备、高速数字芯片、高速光电器件的研发和测试人员了解学习高速数字、光电互联的相关技术及测试方法，也可供高校电子信息类专业的师生做数字电路、信号完整性、光通信技术、光电器件方面的教学参考。

本书结合笔者多年从业经验，从产业技术发展的角度对高速数字信号与光电互联的基本概念、关键技术进行生动讲解，同时结合现代计算机、移动终端、AI计算、数据中心、电信网络中**的接口技术，对其标准演变、测试方法等做了详细介绍，以便于读者理解和掌握高速数字与光电互联的基本原理、实现技术、测试理念及其发展趋势。 本书可供从事服务器、交换机、移动终端、光模块、光通信设备、高速数字芯片、高速光电器件的研发和测试人员了解学习高速数字、光电互联的相关技术及测试方法，也可供高校电子信息类专业的师生做数字电路、信号完整性、光通信技术、光电器件方面的教学参考。

李凯，资深技术顾问与高速测试技术专家，毕业于北京理工大学光电工程系，硕士学位。在通信及电子测量行业有20多年从业经验，现任是德公司技术支持经理、高速光通信及AI测试技术负责人。中国电子学会高级会员、ODCC开放数据中心协会专家、IMT-2020 5G承载标准协会成员，参与《400G光模块技术白皮书》《AI服务器技术白皮书》《5G承载光模块白皮书》等多个行业标准的编写和讨论。著有《高速数字接口原理与测试指南》《现代示波器高级应用》。在《国外电子测量技术》《中国集成电路》《通信世界》等专业杂志发表几十篇关于高速信号测量原理、测量方法的文章，并在IEEE、EDI-CON、人工智能与半导体国际论坛、光纤在线、讯石光通信、硅光论坛等行业会议上进行过上百次专业演讲。

第1章数字信号基础

什么是数字信号（Digital Signal）

数字信号的上升时间（Rising Time）

数字信号的带宽（Bandwidth）

数字信号的建立/保持时间（Setup/Hold Time）

并行总线与串行总线（Parallel and Serial Bus）

单端信号与差分信号（Singleend and Differential Signals）

数字信号的时钟分配（Clock Distribution）

串行总线的8b/10b编码（8b/10b Encoding）

伪随机码型（PRBS）

传输线的影响（Transmission Line Effects）

数字信号的预加重（Preemphasis）

数字信号的均衡（Equalization）

数字信号的抖动（Jitter）

扩频时钟（SSC）

链路均衡协商（Link Equalization Negotiation）

PAM信号（Pulse Amplitude Modulation）

第2章数字测试基础

数字信号的波形分析（Waveform Analysis）

数字信号的眼图分析（Eye Diagram Analysis）

眼图的参数测量（Eye Diagram Measurement）

眼图的模板测试（Mask Test）

数字信号的抖动分析（Jitter Analysis）

数字信号的抖动分解（Jitter Separation）

串行数据的时钟恢复（Clock Recovery）

抖动测量本底（Jitter Measurement Floor）

相位噪声测量（Phase Noise Measurement）

PAM4信号测试（PAM4 Signal Measurement）

特征阻抗（Characteristic Impedance） 

TDR测试（Time Domain Reflectometer）

传输线的建模（Transmission Line Modelling）

第3章USB简介与物理层测试

USB总线简介

USB3.x发送端信号质量测试

USB3.x的测试码型和LFPS信号

TypeC接口与PD测试

USB3.x的接收端容限测试

USB4.0简介

USB4.0的发送端信号质量测试

USB4.0的接收容限测试

USB电缆/连接器测试

第4章PCIe 简介与物理层测试

PCIe背景概述

PCIe4.0的物理层技术

PCIe4.0的测试项目

PCIe4.0的测试夹具和测试码型

PCIe4.0的发射机质量测试

PCIe4.0的接收端容限测试

PCIe5.0物理层技术

PCIe5.0发送端信号质量及LinkEQ测试

PCIe5.0接收端容限测试

PCIe6.0技术展望

第5章DDR简介与信号和协议测试

DDR/LPDDR简介

DDR的信号仿真验证

DDR的读写信号分离

DDR的信号探测技术

DDR4/5与LPDDR4/5的信号质量测试

DDR5的接收端容限测试

DDR4/5的协议测试

第6章HDMI/DP简介与物理层测试

HDMI/DP显示接口简介

HDMI物理层简介

HDMI2.1物理层测试

DP物理层简介

DP2.0物理层测试

第7章Ethernet简介与物理层测试

以太网技术简介

10M/100M/1000M以太网测试项目

10M/100M/1000M以太网的测试

10GBaseT/MGBaseT/NBaseT的测试

10G SFP 接口简介及测试方法

车载以太网简介及物理层测试

第8章高速背板性能的验证

高速背板简介及测试需求

背板的频域参数和阻抗测试

背板传输眼图和误码率测试

插卡信号质量的测试

高速背板测试总结

第9章高性能AI芯片的接口发展及测试

AI计算芯片的特点

AI芯片高速接口的发展趋势

DDR/GDDR/HBM高速存储总线

PCIe/CCIX/CXL互联接口

NVLink/OpenCAPI互联接口

GenZ互联接口

以太网/InfiniBand网络接口

高性能 AI芯片的接口及电源测试

第10章光纤技术简介

光纤（Optical Fiber）简介

多模光纤（MultiMode Fiber）

单模光纤（SingleMode Fiber）

保偏光纤（PM Fiber）

光纤连接器（Fiber Connector）

光纤的模场直径(MFD)

第11章光通信关键技术

光模块简介（Optical Transceiver）

光信号的调制（Optical Modulation）

光发射和接收组件（TOSA/ROSA）

光通信光源（LED/VCSEL/FB/DFB）

光调制器（DML/EML/MZM）

光探测器（PN/PIN/APD）

光模块的封装类型（Formfactor）

硅光技术（Silicon Photonic）

板上光模块与光电合封（COBO/Copackage）

光纤链路的功率裕量（Loss Budget）

前向纠错（FEC）

I/Q调制（I/Q Modulation）

光接口速率的发展（Data Rate Increasing）

第12章光复用技术

并行多模(Parallel Multimode)

并行单模(Parallel Single Mode)

粗波分(CWDM)/细波分(LanWDM)复用

密集波分复用（DWDM）

多模波分复用(SWDM)

波长复用/解复用（Mux/DeMux）

单纤双向(BiDi)

偏振复用(PDM)

第13章光信号测试基础

中心波长（Center Wavelength）

平均光功率（Average Optical Power）

消光比（ER）

光调制幅度（OMA/OMAouter）

眼图模板（Eye Mask）和命中率（Hit Ratio）

J2/J9抖动（J2/J9 Jitter）

VECP（Vertical Eye Closure Penalty）

TDP（Transmitter Dispersion Penalty）

TDECQ（Transmitter Dispersion and Eye Closure Quaternary）

TDECQ的测量（TDECQ Measurement）

TDECQ测量算法（TDECQ Algorithm）

光压力眼（Optical Stress Eye）

光接收机压力测试（ORST）

矢量调制误差（Error Vector Magnitude）

第14章数据中心光互联技术

数据中心网络的结构

数据中心内部的网络连接

数据中心之间的互联

第15章100G光模块简介及测试

100G光模块简介

CEI28GVSR测试点及测试夹具

CEI28GVSR输出端信号质量测试

CEI28GVSR输入端压力容限测试

100G光模块的光信号测试

第16章400G以太网简介及物理层测试

400G以太网物理层

400G光模块类型

400G电气测试环境

400G的电口测试

400G的光口测试

FEC下的流量测试

第17章800G以太网的挑战与测试

800G光互联技术的发展

800G以太网的电口技术挑战

800G以太网的光口技术挑战

112Gbps电口发送/接收测试

224Gbps电信号产生

224Gbps光电器件测试

224Gbps光口信号测试

224Gbps误码率测试

800G以太网光电接口测试总结

第18章5G承载网光模块测试挑战

5G承载网络的架构变化

5G承载网的带宽需求

5G承载网新型前传技术

5G光模块种类

5G光模块测试方案

常见问题与建议

第19章高速光电器件与硅光测试

高速光电器件的发展

无源光器件测试

有源器件直流参数测试

有源器件高频参数测试

硅光芯片的晶圆测试

器件封装后的系统测试

高速光电测试平台总结

第20章相干光通信简介及测试

相干光通信简介

相干发射机与接收机

相干调制器及ICR测试

相干发射机系统测试

相干接收机系统测试

相干通信的发展方向

本书结合笔者多年从业经验，从产业技术发展的角度对高速数字信号与光电互联的基本概念、关键技术进行生动讲解，同时结合现代计算机、移动终端、AI计算、数据中心、电信网络中**的接口技术，对其标准演变、测试方法等做了详细介绍，以便于读者理解和掌握高速数字与光电互联的基本原理、实现技术、测试理念及其发展趋势。 本书可供从事服务器、交换机、移动终端、光模块、光通信设备、高速数字芯片、高速光电器件的研发和测试人员了解学习高速数字、光电互联的相关技术及测试方法，也可供高校电子信息类专业的师生做数字电路、信号完整性、光通信技术、光电器件方面的教学参考。

李凯，资深技术顾问与高速测试技术专家，毕业于北京理工大学光电工程系，硕士学位。在通信及电子测量行业有20多年从业经验，现任是德公司技术支持经理、高速光通信及AI测试技术负责人。中国电子学会高级会员、ODCC开放数据中心协会专家、IMT-2020 5G承载标准协会成员，参与《400G光模块技术白皮书》《AI服务器技术白皮书》《5G承载光模块白皮书》等多个行业标准的编写和讨论。著有《高速数字接口原理与测试指南》《现代示波器高级应用》。在《国外电子测量技术》《中国集成电路》《通信世界》等专业杂志发表几十篇关于高速信号测量原理、测量方法的文章，并在IEEE、EDI-CON、人工智能与半导体国际论坛、光纤在线、讯石光通信、硅光论坛等行业会议上进行过上百次专业演讲。