PAM4簡介

2017-04-14 by:CAE仿真在線來源:互聯網

在我們的職業生涯中,我們可能沒有很多機會去當拓荒者。PAM4的設計和測試技術的正在積極的發展當中,是時候去了解PAM4了

泰克剛剛發布了第一個關于PAM4的應用文檔“PAM4 Signaling in High Speed Serial Technology: Test,Analysis, and Debug.” 在這個文檔里,解釋了PAM4是什么,帶來了什么問題以及將來會出現什么問題。

現有標準

目前為止,只有一個PAM4的相關的標準發布,那就是100GBASE-KP4, 100Gigabit Ethernet。這個定義在IEEE 802.3bj,速率是13.6 GBd (i.e., 27.2Gb/s)。目前這個接口還沒有被廣泛使用,主要原因是NRZ在這個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。這個應用文檔來自泰克工程師,他們正在研究PAM4技術以及參與400G以太網標準,56GOIF-CEI和其他標準。

我們為什么要用PAM4

問題來自于傳輸通道的頻率響應。在過去的低速率的美好日子里,我們可以把數字信號想象成像直流信號一樣,邏輯高時開,邏輯低時關。但是隨著速率的增加,我們不得不把數字信號想象成一個微波信號隨著波導走線在PCB上傳輸。在電路和背板上的導體走線,由于趨膚效應和介電損耗在25GHZ可以到達高達70dB的衰減。由此引起的ISI(碼間干擾)會使信號眼圖閉合。

解決這個問題,在像基帶信號一樣的NRZ信號上,我們發送端采用FFE(前饋均衡),接收端采用CTLE(連續時間線性均衡器)和DFE(判決反饋均衡器)來均衡信號。但是這些技術在25到50 Gb/s面臨很多挑戰。

PAM4和PAM2-NRZ比較

通過把兩個比特變成一個碼元,PAM4可以在同樣的碼元速率上傳遞兩倍于PAM2-NRZ的數據。你可能會注意到我再NRZ前面加了PAM2。原因是數字的NRZ信號,用2電平脈沖幅度調制(PAM2)來描述,比非歸零來的更準確。

下圖是PAM4和PAM2-NRZ比較

PAM4有16種不同的比特翻轉,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UI上有電壓上3個眼,但是PAM2只有一個,所以PAM4會面臨至少3倍于PAM2-NRZ的信噪比問題。一個碼元錯誤可以會造成2個比特錯誤,特別是如果抖動是個問題的話。PAM4我們需要關注的是這三個眼中間最差的那個,因為這個決定了系統的誤碼率。

我們會把我們所有的工具帶到PAM4的實驗室。差分信號,嵌入的時鐘數據恢復,發送和接收均衡。差分信號還是一樣的,時鐘恢復變得更加復雜,因為信號的沿翻轉不是那么明顯了。發送均衡,包括數字多拍的FFE和簡單的去加重技術,由于是4個電平而變得跟復雜了。CTLE接收均衡沒有變化,但是DFE有4個判決結果要去反饋了。

3個眼意味著3個電壓判決器。剛開始大家會使用共同的時序的方法給這三個判決器,后來的技術可能會使用獨立的時序。這三個眼的相對比例會引入一類新的線性度問題。目前,不同實驗室的工程師們用他們的方法去測量時序是電壓上的分線性度。隨著技術的演進,這些方法最終會統一。

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