雖然 PAM-4 等多級(jí)信令技術(shù)已經(jīng)在電信和長(zhǎng)途光學(xué)應(yīng)用中實(shí)施了一段時(shí)間，但在數(shù)據(jù)中心空間實(shí)施 PAM-4 帶來了一系列截然不同的挑戰(zhàn)，因?yàn)樾枰獎(jiǎng)?chuàng)建更多具有成本效益的串行數(shù)據(jù)鏈路。PAM-4 是數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)和 IT 基礎(chǔ)設(shè)施(真正成為 400G 以太網(wǎng))中下一代數(shù)據(jù)速率的推動(dòng)者之一，但它也將出現(xiàn)在其他地方。

對(duì)損害鏈路性能的原因和機(jī)制的了解每天都在增長(zhǎng)。隨著這一新科學(xué)在行業(yè)中得到更好的定義，將需要新的測(cè)量來表征發(fā)射器的輸出，并且需要新的應(yīng)力減損來測(cè)試接收器輸入以在新產(chǎn)品中成功部署 PAM-4。

滿足 PAM-4

PAM-4 協(xié)議有四個(gè)不同的幅度級(jí)別：-3、-1、1 和 3(圖 1)。因此，PAM-4 眼圖具有三個(gè)不同的垂直開口，即所謂的“眼”，對(duì)應(yīng)于信號(hào)電平，而不僅僅是 NRZ 信號(hào)產(chǎn)生的單眼。額外的垂直電平允許 PAM-4 以相同的波特率 (28 GBaud PAM-4 = 56 Gb/s) 提供 2 位信息，而不是 NRZ 信號(hào)的單個(gè)位。因此，從頻域的角度來看，PAM-4 需要 NRZ 的一半帶寬來實(shí)現(xiàn)相同的數(shù)據(jù)傳輸速率。

圖 1：PAM-4 具有四個(gè)不同的幅度電平(頂部)，導(dǎo)致三張眼圖(底部)。

在 PAM-4 中使用多級(jí)信令需要設(shè)計(jì)用于處理多級(jí)信令的創(chuàng)新工具，以及其他 PAM-4 測(cè)試挑戰(zhàn)，包括時(shí)鐘恢復(fù)、決策反饋均衡 (DFE) 和減少信號(hào)至- 噪聲比。以下是對(duì) PAM-4 更廣泛采用所帶來的挑戰(zhàn)的簡(jiǎn)要概述。

PAM-4 模擬

發(fā)送器 (TX)、通道和接收器 (RX) 的典型 PAM-4 通信系統(tǒng)配置可以是芯片到芯片、芯片到模塊(電氣或光學(xué))或電氣背板。這些高性能組件、模塊和網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)需要復(fù)雜的測(cè)試和測(cè)量技術(shù)來實(shí)現(xiàn)接口互操作性和測(cè)試驗(yàn)證。由于是新的，PAM-4 400G以太網(wǎng)開發(fā)幾乎沒有歷史技術(shù)或工程經(jīng)驗(yàn)可以參考，這使得PAM-4系統(tǒng)仿真非常有價(jià)值。測(cè)試和端到端鏈路仿真的新考慮對(duì)于驗(yàn)證 PAM-4 合規(guī)性和確保互操作性至關(guān)重要。能夠在更高的數(shù)據(jù)傳輸速率下測(cè)試和糾正干擾影響以及研究新的電路、模塊、PAM-4 設(shè)計(jì)所需的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)取決于成功的 PAM-4 仿真。用于信號(hào)完整性的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化 (EDA) 工具將使設(shè)計(jì)人員能夠解決以太網(wǎng) PAM-4 和 NRZ 的仿真測(cè)量相關(guān)性和工作流程。

PAM-4 測(cè)量解決方案

PAM-4 的測(cè)量和仿真挑戰(zhàn)彼此相似。當(dāng)今工程師面臨的主要挑戰(zhàn)是時(shí)鐘恢復(fù) (CR)、眼圖偏移和噪聲。使用 PAM-4，新的復(fù)雜性增加了測(cè)量挑戰(zhàn)。受損的鏈路可能與時(shí)鐘恢復(fù)的實(shí)現(xiàn)以及諸如偏斜、壓縮和非線性等閉眼挑戰(zhàn)有關(guān)(圖 2)。隨著 PAM-4 技術(shù)的不斷進(jìn)步以及對(duì) PAM-4 挑戰(zhàn)和解決方案的了解的增長(zhǎng)，將出現(xiàn)新的測(cè)量來表征發(fā)射器 (Tx) 輸出，并且將開發(fā)新的壓力損傷來測(cè)試和表征接收器 (Rx) 輸入。

圖 2：更高的數(shù)據(jù)速率傳輸會(huì)導(dǎo)致信號(hào)特性發(fā)生變化，需要額外的糾錯(cuò)技術(shù)來保持開放的眼圖。非線性或幅度壓縮可以改變不同過渡眼的眼高，從而由于較低過渡的較低信噪比而導(dǎo)致線性誤差。

輸出傳輸 (Tx) 表征

輸出 (Tx) 測(cè)試驗(yàn)證輸出參數(shù)是否滿足或超過標(biāo)準(zhǔn)要求，包括眼圖參數(shù)和抖動(dòng)測(cè)量。標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)射機(jī)線性度測(cè)試圖案和四元 PRBS13 測(cè)試圖案使 PAM-4 信號(hào)能夠測(cè)試線性度和關(guān)鍵眼圖參數(shù)。正在考慮開發(fā)兩種不同類型的 PAM-4 接收機(jī);基于限幅器電平的接收器，其中眼高/寬度很重要，或者基于 ADC 的接收器，其中星座形式的電平變化最為重要。四元測(cè)試模式可用于驗(yàn)證任一接收器設(shè)計(jì)的發(fā)送器輸出。

發(fā)射機(jī) (Tx) 特性可以通過帶有 PAM-N 分析軟件的采樣示波器進(jìn)行測(cè)量。由于其硬件架構(gòu)，采樣示波器的本底噪聲比實(shí)時(shí)示波器低得多，因此通常會(huì)產(chǎn)生更準(zhǔn)確的 PAM-4 信號(hào)表征。Tx 特性也可以使用實(shí)時(shí)示波器進(jìn)行測(cè)量，它最適合故障排除和單次事件。實(shí)時(shí)示波器提供最快的采樣率、大的記錄長(zhǎng)度，并且不需要重復(fù)信號(hào)來生成模式波形。

輸入接收 (Rx) 表征：輸入測(cè)試驗(yàn)證接收器能夠檢測(cè)到正確位以及來自最壞情況通道的損傷。接收器更容易受到線性和偏斜問題的影響。PAM-4 眼圖中的固有 ISI 要求接收器對(duì)與模式相關(guān)的抖動(dòng)不太敏感。由于如果不平衡，可以在嘈雜的通道上看到誤碼，因此需要接收器均衡來平衡 CTLE DFE 之間的增益。固有的 ISI 要求接收器不易受模式相關(guān)抖動(dòng)的影響。隨著 PAM-4 接收器技術(shù)的進(jìn)步，需要開發(fā)新型壓力損傷來測(cè)試接收器輸入。

用于 PAM-4 的傳統(tǒng)誤碼率測(cè)試儀的替代方案是任意波形發(fā)生器 (AWG)。新的 AWG 可作為通信信號(hào)的解決方案，能夠生成任何幅度調(diào)制信號(hào)，例如 PAM-8、相干、OFDM 和 QAM-N。可以輕松生成包括抖動(dòng)、干擾、偏斜、線性等在內(nèi)的應(yīng)力類型。

隨著對(duì)提高數(shù)據(jù)速率的需求推動(dòng)從 100G 到 400G 的速度不斷提高，將提出許多新的設(shè)計(jì)和測(cè)量挑戰(zhàn)。從早期的設(shè)計(jì)模擬和輸出表征，到隨著標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展為輸入測(cè)試創(chuàng)建新的應(yīng)力類型，PAM-4 涉及許多設(shè)計(jì)和測(cè)試含義。

審核編輯：湯梓紅