PAM4简介

2017-04-14 by:CAE仿真在线来源:互联网

在我们的职业生涯中,我们可能没有很多机会去当拓荒者。PAM4的设计和测试技术的正在积极的发展当中,是时候去了解PAM4了

泰克刚刚发布了第一个关于PAM4的应用文档“PAM4 Signaling in High Speed Serial Technology: Test,Analysis, and Debug.” 在这个文档里,解释了PAM4是什么,带来了什么问题以及将来会出现什么问题。

现有标准

目前为止,只有一个PAM4的相关的标准发布,那就是100GBASE-KP4, 100Gigabit Ethernet。这个定义在IEEE 802.3bj,速率是13.6 GBd (i.e., 27.2Gb/s)。目前这个接口还没有被广泛使用,主要原因是NRZ在这个速率是还是可以工作。但是如果速率到了50 Gb/s以上,那就不得不使用PAM4了。这个应用文档来自泰克工程师,他们正在研究PAM4技术以及参与400G以太网标准,56GOIF-CEI和其他标准。

我们为什么要用PAM4

问题来自于传输通道的频率响应。在过去的低速率的美好日子里,我们可以把数字信号想象成像直流信号一样,逻辑高时开,逻辑低时关。但是随着速率的增加,我们不得不把数字信号想象成一个微波信号随着波导走线在PCB上传输。在电路和背板上的导体走线,由于趋肤效应和介电损耗在25GHZ可以到达高达70dB的衰减。由此引起的ISI(码间干扰)会使信号眼图闭合。

解决这个问题,在像基带信号一样的NRZ信号上,我们发送端采用FFE(前馈均衡),接收端采用CTLE(连续时间线性均衡器)和DFE(判决反馈均衡器)来均衡信号。但是这些技术在25到50 Gb/s面临很多挑战。

PAM4和PAM2-NRZ比较

通过把两个比特变成一个码元,PAM4可以在同样的码元速率上传递两倍于PAM2-NRZ的数据。你可能会注意到我再NRZ前面加了PAM2。原因是数字的NRZ信号,用2电平脉冲幅度调制(PAM2)来描述,比非归零来的更准确。

下图是PAM4和PAM2-NRZ比较

PAM4有16种不同的比特翻转,PAM2只有4种。PAM4有6种上升下降沿,但是PAM2只有2种。PAM4在1个UI上有电压上3个眼,但是PAM2只有一个,所以PAM4会面临至少3倍于PAM2-NRZ的信噪比问题。一个码元错误可以会造成2个比特错误,特别是如果抖动是个问题的话。PAM4我们需要关注的是这三个眼中间最差的那个,因为这个决定了系统的误码率。

我们会把我们所有的工具带到PAM4的实验室。差分信号,嵌入的时钟数据恢复,发送和接收均衡。差分信号还是一样的,时钟恢复变得更加复杂,因为信号的沿翻转不是那么明显了。发送均衡,包括数字多拍的FFE和简单的去加重技术,由于是4个电平而变得跟复杂了。CTLE接收均衡没有变化,但是DFE有4个判决结果要去反馈了。

3个眼意味着3个电压判决器。刚开始大家会使用共同的时序的方法给这三个判决器,后来的技术可能会使用独立的时序。这三个眼的相对比例会引入一类新的线性度问题。目前,不同实验室的工程师们用他们的方法去测量时序是电压上的分线性度。随着技术的演进,这些方法最终会统一。

PAM4看上去带来的问题,跟它所解决的问题一样多。但是标准组织都在引入FEC(前向纠错技术),这样BER的要求可以放宽到100,000倍。PAM4的设计只要满足BER < 10-6,而不是10-12 或者10-15 。放宽了PHY层的BER要求给我们测试很大的便利。