ما هي إشارة PAM4 وتحدياتها في اختبار التوصيف

أدى استخدام الإشارات التناظرية لنقل المعلومات الرقمية إلى زيادة معدل نقل البيانات بشكل فعال. مع معدلات البيانات التسلسلية التي تصل إلى 56 جيجابت في الثانية لكل قناة وما بعدها ، فإن ضعف الإشارة الناتج عن زيادة عرض النطاق الترددي دفع صناعة البيانات التسلسلية عالية السرعة إلى اعتماد PAM4. ومع ذلك ، فإن مخطط تشفير الإشارة هذا يواجه أيضًا سلسلة من تحديات الاختبار في التطبيق العملي. يوضح هذا الموجز التكنولوجي الاختلافات بين تعديل NRZ و PAM4 ويحلل بعض التحديات والتقنيات المقابلة في اختبار إشارة PAM4.

ما هي إشارات PAM4 و NRZ؟

NRZ (عدم العودة إلى الصفر) ، المعروف أيضًا باسم تعديل اتساع النبض ثنائي المستوى (PAM2) هو مخطط تقليدي لتشفير الإشارات الرقمية. تشتمل تقنية التشكيل هذه على مستويين من الجهد لتمثيل المنطق 2 والمنطق 0. يمكن لكل فترة رمز إشارة إرسال بتة واحدة من المعلومات المنطقية. حيث يمكن أن تستخدم إشارة PAM المزيد من مستويات إشارة الجهد بحيث يمكن لكل فترة رمز إشارة إرسال المزيد من بتات المعلومات المنطقية. على سبيل المثال ، تستخدم إشارة PAM1 1 مستويات إشارة مختلفة لإرسال البيانات ، ويمكن أن تمثل كل فترة رمز 4 بت من المعلومات المنطقية (4 ، 2 ، 0 ، 1). يوضح الشكل التالي اختلاف شكل الموجة بين إشارة NRZ النموذجية وإشارة PAM2.

∆ تردد إشارة NRZ وطيف تردد إشارة PAM4

PAM-4 مقابل NRZ

نظرًا لأن إشارة PAM4 يمكنها نقل 2 بت من المعلومات لكل فترة رمز ، فإن معدل بيانات الرمز لإشارة PAM4 يحتاج فقط إلى الوصول إلى نصف إشارة NRZ. نتيجة لذلك ، يتم تقليل فقد الإشارة الناتج عن قناة الإرسال بشكل كبير. من الممكن أن يتم تطوير المزيد من مستويات الجهد لنقل المعلومات مثل PAM8 أو حتى إشارات PAM16 نظرًا لأن سرعة إيثرنت وعرض النطاق الترددي أكبر مطلوبان في عالم متصل به نقل بيانات فوري. يحتوي PAM4 على 2 بت لكل رمز ، و 4 مستويات رمز ، و 3 أنماط عين لكل واجهة مستخدم ؛ يمكن لكل فترة رمز أن تنقل ضعف كمية المعلومات التي تنقلها NRZ.

Δ مخطط العين لـ 10G NRZ و 25 G NRZ و 56G PAM-4

 

لا تعد PAM4 أحدث تقنية لتعديل الإشارة نظرًا لاستخدام 3 مستويات للجهد لنقل الإشارات في أكثر 100 ميجابايت استخدامًا لشبكة إيثرنت. بالإضافة إلى ذلك ، يستخدم كل من تعديل 16QAM وتشكيل 32QAM وتعديل 64QAM المطبق في مجال الاتصالات اللاسلكية إشارات النطاق الأساسي متعددة المستويات لتعديل إشارة الموجة الحاملة. كتقنية شائعة لترميز الإشارات ونقلها للتوصيل البيني للإشارة عالية السرعة في مركز بيانات الجيل التالي ، تم استخدام PAM4 في نقل الإشارات الكهربائية أو الضوئية على 100G QSFP28 و 200 G حتى 400G واجهات.

 

التحديات في تحليل إشارة PAM4

PAM4 هي تقنية لتعديل إشارة اتساع النبضة ذات 4 مستويات ، والتي يمكنها عرض معلومات منطقية أكثر من الإشارات الرقمية التقليدية. ومع ذلك ، من الصعب تصميم واختبار إشارات PAM4. على سبيل المثال ، تحتوي إشارة PAM4 على نسبة إشارة إلى ضوضاء (SNR) أسوأ ، والتي قد تصل إلى 9.5 ديسيبل في نفس حالة ضوضاء النظام.

إلى جانب ذلك ، هناك 16 حالة تبديل في إشارة PAM4 ، والتي ستسبب عدم التناسق العمودي لمخططات العين العلوية والسفلية. علاوة على ذلك ، يميل عرض العين المقاس عند نقطة التقاطع ووسط ارتفاع العين إلى الاختلاف. من المرجح أيضًا أن تحدث المشكلات غير الخطية.

Δ رسم تخطيطي لتوليد واختبار إشارة Ethernet PAM4

 

على الرغم من انخفاض معدل رمز إشارة PAM4 ، فإن خسارة القناة البالغة 10 ديسيبل أو أكثر ستظل تؤدي إلى إغلاق كامل في مخطط عين الإشارة لجهاز الاستقبال. لذلك ، فإن التركيز المسبق على نهاية الإرسال ومعادلة الإشارة عند الطرف المستقبل عاملان مهمان من حيث تصميم واختبار إشارة PAM4.

 

تحديات اختبار جهاز الإرسال PAM4

عندما يتعلق الأمر بأجهزة الإرسال القائمة على PAM4 ، فهناك عدد قليل من معلمات الاختبار الرئيسية بما في ذلك نسبة الانقراض ، وسعة التعديل البصري ، و TWDP (سعر تشتت الطول الموجي لجهاز الإرسال) ، وخطية جهاز الإرسال ، والارتعاش.

يمكن قياس المعلمات الكهربائية لجهاز الإرسال PAM4 بواسطة راسم الذبذبات في الوقت الحقيقي أو راسم أخذ العينات. بالنسبة للإشارة 26.56G Baud المحددة بواسطة IEEE ، يوصى باستخدام راسم الذبذبات مع عرض نطاق ترددي لا يقل عن 33 جيجاهرتز لاختبار المعلمات الكهربائية. تم تصميم راسم الذبذبات هذا بمنحنى استجابة التردد لمرشح Bessel-Thomson من الدرجة الرابعة.

Δ راسمات الذبذبات لتعديل سعة النبض (بام -4) تحليل المرسل

 

لا يتطلب راسم أخذ العينات إلا وحدة راسم الذبذبات بعرض نطاق يبلغ 33 جيجاهرتز أو أكثر نظرًا لأن منحنى استجابة التردد الخاص به مشابه لشكل مرشح Bessel-Thomson من الدرجة الرابعة. لكن راسم الذبذبات في الوقت الحقيقي يطبق عادة استجابة تردد من نوع جدار القرميد. لذلك ، يُقترح أن تعتمد وحدة راسم الذبذبات عرض نطاق لا يقل عن 50 جيجاهرتز من أجل محاكاة منحنى استجابة التردد المطلوب.

 

التسامح مع تداخل مستقبل PAM4

بالنسبة لأجهزة استقبال PAM4 ، يعد تحمل التداخل (التسامح مع الإشارات القاسية) أحد المواصفات الحاسمة لجهاز الإرسال. الغرض من اختبار مستقبل PAM4 هو إدخال إشارة معيبة دقيقة ولكن يمكن التحكم فيها في الطرف المستقبل. وبالتالي ، يمكن قياس تحمل التداخل وفقًا لتغير نسبة الخطأ في البتات (BER).

 

نموذج اختبار OIF CEI 4.0 لـ PAM4

تحدد الرسوم البيانية التالية طريقة اختبار تحمل التداخل للوحدة 56G-VSR-PAM-4 في مسودة مواصفة OIF CEI 4.0. في هذه المنهجية ، يجب أن تتمتع أجهزة القياس بالمرونة الكافية وقدرة ضبط المعلمة. 

Δ نموذج الاختبار لوحدة 56G-VSR-PAM-4 Tx و Rx

 

في هذه الحالة ، يفرض إعداد اختبار المواصفات هذا تحديات في العديد من الجوانب. على سبيل المثال ، عليك التفكير في كيفية إنشاء إشارات تكيف ذاتي أو إشارات مشفرة PRBS31Q PAM4 ؛ كيفية محاكاة التركيز المسبق على جهاز الإرسال. نظرًا لأن الارتعاش الحتمي يمكن التنبؤ به عند مقارنته بالاهتزاز العشوائي ، يجب عليك أيضًا معرفة كيفية تصميم جهاز الإرسال والاستقبال للقضاء عليه. علاوة على ذلك ، فإن قضايا مثل كيفية محاكاة فقدان إدخال القناة ، وكيفية محاكاة العبث بالاتصالات التي تسببها القنوات المجاورة ، وكيفية معايرة الإشارة وتصحيحها في اختبار الامتثال ، كلها تحديات ضخمة في منهجية الاختبار هذه.

 

اختبار نسبة خطأ البت (BER) لإشارة PAM4

يعد اختبار نسبة خطأ البت عالي الأداء والقادر على دعم تعديل المعلمة المرنة لتعديل سعة النبضة طريقة فعالة للتعامل مع التحديات المذكورة أعلاه. إذا كان DUT (الجهاز قيد الاختبار) يتميز بوظيفة تصحيح الخطأ الأمامي داخليًا ، فيمكن قياس نسبة خطأ البت (BER) في هذا الاختبار الداخلي. إذا لم يكن الأمر كذلك ، فيمكن إعادة البيانات المستلمة مرة أخرى وإرسالها إلى وحدة اكتشاف الأخطاء في جهاز اختبار خطأ البت. وبالتالي ، يمكن تحديد نسبة الخطأ في البتات في النهاية.

 

بالإضافة إلى تحمل التداخل الخطي ، فإن قدرات الاستقبال هي معلمة رئيسية أخرى لمرسل الإرسال PAM4. ولكن من الصعب أيضًا تحديد وقت وجود الارتعاش وضوضاء الإشارة و ISI (التداخل بين الرموز). لحسن الحظ ، يمكن لمولد إشارة في كاشف الأخطاء (أو اختبار BER) لتوليد إشارات مع الارتعاش والضوضاء والتداخل بين الرموز أن يحدث فرقًا. يتم حقن هذه الإشارات في جهاز الإرسال ويمكن اختبار نسبة خطأ البت (BER) من خلال عدد الأخطاء الداخلية أو وسائل تكرار البيانات. عادة ما يسمى هذا النوع من الإشارات المستخدمة للحقن في الطرف المستقبل لاختبار الهامش بإشارة الإجهاد.

Δ حل قياس BER إشارة PAM4 عالي السرعة

 

بالمقارنة مع القاعدة 121 والقاعدة 122 في IEEE 802.3bs ، توفر هذه المنهجية تصحيحًا متكررًا للخطأ لمخطط العين المحدد البصري ، مما يوفر ساعات من وقت المعايرة. بينما يمكن لبرنامج N4917BSCA التحكم في جميع الأدوات اللازمة للمعايرة ، وحساسية جهاز الاستقبال ، واختبار تحمل الاهتزازات وإعدادها.

 

اختبار سلامة الإشارة PAM4 PLTS

أصبح PLTS (نظام اختبار الطبقة المادية) عنق الزجاجة في أنظمة الوصلات التسلسلية عالية السرعة. في وقت الشبكات ذات معدل البيانات المنخفض ، يكون طول مستوى جهد التوصيل البيني قصيرًا نسبيًا. ترتبط سلامة الإشارة بشكل أساسي بالسائقين وأجهزة الاستقبال.

Δ N4917BSCA لاختبار إشارة إجهاد جهاز الاستقبال البصري

عندما تتجاوز سرعة استعادة الساعة وسرعة الناقل وسرعة الارتباط جيجابت في الثانية ، تلعب خصائص الطبقة المادية دورًا أكثر أهمية في محاكاة ارتباط إشارة PAM4. يتمثل التحدي الآخر لمهندسي تصميم البيانات حاليًا في اتجاه التصميم الرقمي للطوبولوجيا التفاضلية ، حيث يجب عليهم تحليل جميع أوضاع التشغيل الممكنة من أجل الحصول على فهم شامل لأداء الجهاز. نظرًا لأن التحليل المشترك للمجال الزمني وتحليل مجال التردد يصبح أكثر وأكثر أهمية ، تصبح إدارة أنظمة الاختبار المتعددة أكثر صعوبة.

 

وفي الختام

يمكن لتقنية PAM4 تحسين كفاءة استخدام النطاق الترددي بشكل فعال. أيضًا ، يعتمد PAM4 تنسيق تعديل عالي الترتيب ، مما يقلل من عدد الأجهزة البصرية المستخدمة ، والأداء ، والتكلفة ، والطاقة في التطبيقات المختلفة. مع ظهور البيانات الضخمة والحوسبة السحابية بالإضافة إلى حركة المرور المتزايدة ، هناك حاجة ماسة إلى تقنية تعديل أكثر تعقيدًا. لذلك ، أصبحت PAM4 تقنية مهمة لتعديل الإشارة في خدمة مركز البيانات الفائق النطاق ، وتستخدم على نطاق واسع في إرسال الإشارات الكهربائية أو الضوئية على واجهات 200G / 400G.

 

توفر FiberMall سلسلة 100G QSFP28 PAM4 من الألياف الضوئية أحادية لامدا مصممة للاستخدام في 100 جيجابت إيثرنت.  مع انتقال السوق إلى التعديل المستند إلى PAM4، يواصل FiberMall تجاوز الصعوبة التقنية والمضي قدمًا إلى حلول الربط البيني 200G و 400G PAM4 في عالم الاتصالات الضوئية.