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PAM4码型发生器选择攻略(上篇)

摘要:引言 随着数据中心,高速光通信和电信数据网络的发展,采用NRZ编码的高速串行数据速率从传统的10Gbps每通道不断升级到32Gbps每通道。由于数据吞吐量爆发式增长,需要更高的单通道数据通信速率,编码方式也从传统的NRZ编码转变为了PAM4编码,在PAM4编码模式的支持下,每一路速率可以直接支持到56Gbps到112Gbps。 在最新的高速光模块接口和电模块接口标准中,200G和400G的以太网标准都是采用PAM4编码,同时内置了各种高级诊断的功能。 同样在消费电子类的产品中,也出现了PCIE Gen3/4、USB3.0/3.1、Thunderbolt、 SATA等各种高速总线,速率范围可以从2.5Gbps一直到32Gbps。针对PAM4的高速测试要求,PAM4码型发生器正成为高速误码测试的基本组成部分。 由于PAM4的信号产生有多种实现方式,下面就当前主流的PAM4码型发生器进行比较。

  PAM4码型发生器选择攻略(上篇)

  PAM4概览

  PAM4作为新出现的高速串行总线编码模式,在几乎所有超过50Gbps的标准中都存在。由于在同等速率的情况下带宽的要求是NRZ的一半,对于绝大多数的高速电缆、背板以及连接器而言,使用PAM4编码可以在速率翻倍的情况下具备同样的奈奎斯特频率。

  由于每一个symbol或者每一个UI传输2个比特的数据,那么在同样的输出幅度的情况下,需要区分4种不同的电平,这带来了9dB的信噪比恶化。在高速总线传输过程中,抖动和噪声是影响误码率的最关键指标,信噪比恶化意味着误码率的提升。所以在相同速率的情况下对比NRZ和PAM4PAM4利用了四电平的调制方式,通过牺牲信噪比来换取奈奎斯特频率的减半。下图是NRZ和PAM4 这两种编码模式下的带宽、速率、定时、信噪比的对比。

  由于PAM4的信号是多电平,对于测试测量而言是一个挑战,下面是一个PAM4的眼图的示例。

  对于NRZ信号而言,只存在一个上升沿和一个下降沿。 但是对于PAM4信号,跳变发生在LEVEL0、LEVEL1、LEVEL2、LEVEL3之间的一共12种跳变。 而由于这些多重信号幅度之间的跳变会导致眼高和眼宽的恶化,一个高质量的PAM4信号源在测试中至关重要。

  PAM4码型产生的四种方法

  传统的PAM4误码仪分为PAM4信号发生器PPG和PAM4信号误码比较接收器ED两个部分。对于PAM4信号发生器而言,目前有4种比较流行的方法产生PAM4输出信号。(由于文章篇幅太长,此处上篇列举两种方法,下篇更多精彩正在来的路上!)

  1)2路NRZ码型发生器无源合成1路PAM4码型发生器

  早期的误码仪都是通过2路NRZ高速码型发生器输出信号后,经过无源的射频器件(即通过衰减器和合成器)来合并成一路PAM4信号,PAM4应用出现早期到目前主流的PAM4信号发生器都是延用这种方式。

  该方法具体实现是依靠NRZ码型发生器输出2路码速率完全一致的NRZ信号,通过高频电缆连接到外部的无源宽带合成器,调节两路信号的相位,使之初始相位完全相同,再调节衰减器,其中一路的幅度为满幅度(作为PAM4 的msb),另一路为半幅度(作为PAM4的lsb),合成后即可将2路双电平的NRZ的信号合并为一路四电平的PAM4信号。从构架上看,它其实是2路NRZ的码型发生器合并而成,不可避免的存在一些限制。下图是一个双通道的NRZ码型发生器产生PAM4的图例。

  性能的影响:2路NRZ输出接到宽带功率合成器后,由于信号衰减,性能不可避免的会受到影响,例如抖动、上升时间、由于线性度不好导致的额外噪声。在不同的速率下,为了保证2路NRZ输出初始相位一致,每次总是需要连接到示波器进行繁琐的de-skew校准。合成后的PAM4码型发生器指标会严重的恶化。

  功能的影响:对于PAM4码型发生器而言,为了补偿高频衰减,去加重均衡几乎是必备的需求,在所有的高速串行标准中也都有相应的要求。对于用2路NRZ码型发生器合成PAM4的方法而言,即便额外选件支持去加重均衡,也没有一个简单易行的转换方法把每一路的NRZ输出的均衡直接转化为PAM4的均衡。 如果实际应用中希望控制PAM4的msb和lsb的均衡,需要连接到具备PAM4测量功能的示波器,进行非常繁琐的校准。

  使用的影响:测试环境的构建上相对比较复杂,因为首先需要时钟合成器配合2路独立的NRZ高速码型发生器,加上外部的高频相位匹配电缆和功率合成器等附件,通过一台传统的台式28Gbps的NRZ码型发生器要构建一个单通道的具备去加重均衡功能的PAM4信号发生器需要至少2个通道都具备均衡功能,并且需要配合价格不菲的具备PAM4测量功能的高带宽示波器来进行校准。下图是一个传统的2通道NRZ码型发生器通过外围硬件配合产生PAM4的单路输出功能。

  1)2路NRZ码型发生器无源合成1路PAM4码型发生器

  除了上面提到的通过无源宽带合成器产生PAM4输出以外,还可以基于数模转换器实现PAM4信号发生器。通过2路NRZ码型发生器,输出到一个2位的数模转换器中去生成pam4信号。在这种情况下DAC转换器的作用类似于一个PAM4的有源合成器。这种方式是通过有源电路来实现,一般是一个外部供电的盒子。这种方式对比第一种方式的优点是由于是有源电路,输出带宽高,上升时间快。但是从构架上和第一种方法完全一致,所以上面第一种方法列出的所有限制同样存在(诸如不支持均衡、需要繁琐de-skew校准等)。另外由于是通过数模转换器的有源电路实现,2路NRZ的定时延时控制、每一个msb和lsb的电平控制也需要连接到示波器进行额外的外部校准。

  (上篇完)

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内容来自:讯石光通讯咨询网
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关键字: PAM4 中星联华
文章标题:PAM4码型发生器选择攻略(上篇)
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