PAM4簡介

2017-04-14 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

在我們的職業(yè)生涯中,我們可能沒有很多機(jī)會(huì)去當(dāng)拓荒者。PAM4的設(shè)計(jì)和測(cè)試技術(shù)的正在積極的發(fā)展當(dāng)中,是時(shí)候去了解PAM4了

泰克剛剛發(fā)布了第一個(gè)關(guān)于PAM4的應(yīng)用文檔“PAM4 Signaling in High Speed Serial Technology: Test,Analysis, and Debug.” 在這個(gè)文檔里,解釋了PAM4是什么,帶來了什么問題以及將來會(huì)出現(xiàn)什么問題。

現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)

目前為止,只有一個(gè)PAM4的相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布,那就是100GBASE-KP4, 100Gigabit Ethernet。這個(gè)定義在IEEE 802.3bj,速率是13.6 GBd (i.e., 27.2Gb/s)。目前這個(gè)接口還沒有被廣泛使用,主要原因是NRZ在這個(gè)速率是還是可以工作。但是如果速率到了50 Gb/s以上,那就不得不使用PAM4了。這個(gè)應(yīng)用文檔來自泰克工程師,他們正在研究PAM4技術(shù)以及參與400G以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn),56GOIF-CEI和其他標(biāo)準(zhǔn)。

我們?yōu)槭裁匆?/span>PAM4

問題來自于傳輸通道的頻率響應(yīng)。在過去的低速率的美好日子里,我們可以把數(shù)字信號(hào)想象成像直流信號(hào)一樣,邏輯高時(shí)開,邏輯低時(shí)關(guān)。但是隨著速率的增加,我們不得不把數(shù)字信號(hào)想象成一個(gè)微波信號(hào)隨著波導(dǎo)走線在PCB上傳輸。在電路和背板上的導(dǎo)體走線,由于趨膚效應(yīng)和介電損耗在25GHZ可以到達(dá)高達(dá)70dB的衰減。由此引起的ISI(碼間干擾)會(huì)使信號(hào)眼圖閉合。

解決這個(gè)問題,在像基帶信號(hào)一樣的NRZ信號(hào)上,我們發(fā)送端采用FFE(前饋均衡),接收端采用CTLE(連續(xù)時(shí)間線性均衡器)和DFE(判決反饋均衡器)來均衡信號(hào)。但是這些技術(shù)在25到50 Gb/s面臨很多挑戰(zhàn)。

PAM4和PAM2-NRZ比較

通過把兩個(gè)比特變成一個(gè)碼元,PAM4可以在同樣的碼元速率上傳遞兩倍于PAM2-NRZ的數(shù)據(jù)。你可能會(huì)注意到我再NRZ前面加了PAM2。原因是數(shù)字的NRZ信號(hào),用2電平脈沖幅度調(diào)制(PAM2)來描述,比非歸零來的更準(zhǔn)確。

下圖是PAM4和PAM2-NRZ比較

PAM4有16種不同的比特翻轉(zhuǎn),PAM2只有4種。PAM4有6種上升下降沿,但是PAM2只有2種。PAM4在1個(gè)UI上有電壓上3個(gè)眼,但是PAM2只有一個(gè),所以PAM4會(huì)面臨至少3倍于PAM2-NRZ的信噪比問題。一個(gè)碼元錯(cuò)誤可以會(huì)造成2個(gè)比特錯(cuò)誤,特別是如果抖動(dòng)是個(gè)問題的話。PAM4我們需要關(guān)注的是這三個(gè)眼中間最差的那個(gè),因?yàn)檫@個(gè)決定了系統(tǒng)的誤碼率。

我們會(huì)把我們所有的工具帶到PAM4的實(shí)驗(yàn)室。差分信號(hào),嵌入的時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù),發(fā)送和接收均衡。差分信號(hào)還是一樣的,時(shí)鐘恢復(fù)變得更加復(fù)雜,因?yàn)樾盘?hào)的沿翻轉(zhuǎn)不是那么明顯了。發(fā)送均衡,包括數(shù)字多拍的FFE和簡單的去加重技術(shù),由于是4個(gè)電平而變得跟復(fù)雜了。CTLE接收均衡沒有變化,但是DFE有4個(gè)判決結(jié)果要去反饋了。

3個(gè)眼意味著3個(gè)電壓判決器。剛開始大家會(huì)使用共同的時(shí)序的方法給這三個(gè)判決器,后來的技術(shù)可能會(huì)使用獨(dú)立的時(shí)序。這三個(gè)眼的相對(duì)比例會(huì)引入一類新的線性度問題。目前,不同實(shí)驗(yàn)室的工程師們用他們的方法去測(cè)量時(shí)序是電壓上的分線性度。隨著技術(shù)的演進(jìn),這些方法最終會(huì)統(tǒng)一。

PAM4看上去帶來的問題,跟它所解決的問題一樣多。但是標(biāo)準(zhǔn)組織都在引入FEC(前向糾錯(cuò)技術(shù)),這樣BER的要求可以放寬到100,000倍。PAM4的設(shè)計(jì)只要滿足BER < 10-6,而不是10-12 或者10-15 。放寬了PHY層的BER要求給我們測(cè)試很大的便利。

要測(cè)試PAM2-NRZ系統(tǒng)的誤碼到10-12 或者更低,我們要么去做20分鐘到1個(gè)小時(shí)的測(cè)試,或者推演的到噪聲的方式快速測(cè)量。通過要求BER < 10-6 ,我們可以使用BERT(誤碼測(cè)試儀)或者示波器在不用到1分鐘的時(shí)間來可以完全直接測(cè)量噪聲和抖動(dòng)的影響。