¿Qué es la señal PAM4 y sus desafíos de prueba de caracterización?

El uso de señales analógicas para transmitir información digital ha aumentado efectivamente la tasa de transmisión de datos. Con velocidades de datos en serie que alcanzan los 56 Gbps por canal y más, las deficiencias de la señal causadas por un mayor ancho de banda han llevado a la industria de datos en serie de alta velocidad a adoptar PAM4. Sin embargo, este esquema de codificación de señales también enfrenta una serie de desafíos de prueba en la aplicación práctica. Este resumen de tecnología describe las diferencias entre la modulación NRZ y PAM4 y analiza algunos desafíos y técnicas correspondientes en la prueba de señal PAM4.

¿Qué son las señales PAM4 y NRZ?

NRZ (Non-Return-to-Zero), también conocido como Modulación de amplitud de pulso de 2 niveles (PAM2) es un esquema de codificación de señal digital tradicional. Esta técnica de modulación tiene dos niveles de voltaje para representar el 0 lógico y el 1 lógico. Cada período de símbolo de señal puede transmitir 1 bit de información lógica. Considerando que, la señal PAM puede usar más niveles de señal de voltaje para que cada período de símbolo de señal pueda transmitir más bits de información lógica. Por ejemplo, la señal PAM4 usa 4 niveles de señal diferentes para la transmisión de datos, y cada período de símbolo puede representar 2 bits de información lógica (0, 1, 2, 3). La siguiente figura muestra la diferencia de forma de onda entre una señal NRZ típica y la señal PAM4.

∆ Frecuencia de señal NRZ y espectro de frecuencia de señal PAM4

PAM-4 frente a NRZ

Dado que la señal PAM4 puede transmitir 2 bits de información por período de símbolo, la tasa de datos de símbolo de la señal PAM4 solo necesita alcanzar la mitad de la señal NRZ. Como resultado, la pérdida de señal causada por el canal de transmisión se reduce considerablemente. Es posible que se desarrollen más niveles de voltaje para la transmisión de información, como señales PAM8 o incluso PAM16, ya que se requieren una mayor velocidad y ancho de banda de Ethernet en un mundo conectado con transmisión de datos instantánea. PAM4 tiene 2 bits por símbolo, 4 niveles de símbolo y 3 patrones de ojos por interfaz de usuario; cada período de símbolo puede transmitir el doble de información que NRZ.

Δ Diagrama de ojo de 10G NRZ, 25G NRZ y 56G PAM-4

 

PAM4 no es la última técnica de modulación de señal porque se utilizan 3 niveles de voltaje para la transmisión de señal en la Ethernet 100MBase-T más utilizada. Además, la modulación 16QAM, la modulación 32QAM y la modulación 64QAM aplicadas en el campo de la comunicación inalámbrica utilizan señales de banda base multinivel para modular la señal portadora. Como tecnología popular de transmisión y codificación de señales para la interconexión de señales de alta velocidad en el centro de datos de próxima generación, PAM4 se ha utilizado en la transmisión de señales eléctricas u ópticas en 100G QSFP28 e interfaces 200G incluso 400G.

 

Desafíos en el análisis de la señal PAM4

PAM4 es una técnica de modulación de señal de amplitud de pulso de 4 niveles, que puede mostrar más información lógica de bits que las señales digitales tradicionales. Sin embargo, es un desafío diseñar y probar señales PAM4. Por ejemplo, la señal PAM4 tiene una peor relación señal-ruido (SNR), que puede llegar a 9.5 dB en la misma condición de ruido del sistema.

Además, hay 16 estados de conmutación en la señal PAM4, lo que provocará la asimetría vertical de los diagramas del ojo superior e inferior. Además, el ancho del ojo medido en el punto de intersección y la mitad de la altura del ojo tiende a ser diferente. También es más probable que ocurran problemas no lineales.

Δ Diagrama de flujo de generación y prueba de señales Ethernet PAM4

 

Aunque la velocidad de símbolo de la señal PAM4 se reduce, la pérdida de canal de 10 dB o más conducirá a un cierre completo en el diagrama de ojo de señal del receptor. Por lo tanto, el énfasis previo en el extremo de transmisión y la ecualización de la señal en el extremo de recepción son dos factores importantes en términos de diseño y prueba de la señal PAM4.

 

Desafíos de prueba del transmisor PAM4

Cuando se trata de transmisores basados ​​en PAM4, existen algunos parámetros de prueba clave que incluyen la relación de extinción, la amplitud de modulación óptica, TWDP (precio de dispersión de longitud de onda del transmisor), linealidad del transmisor y jitter.

Los parámetros eléctricos del transmisor PAM4 se pueden medir con un osciloscopio en tiempo real o con un osciloscopio de muestreo. Para la señal de 26.56 G Baudios definida por IEEE, se recomienda utilizar un osciloscopio con un ancho de banda de al menos 33 GHz para la prueba de parámetros eléctricos. Tal osciloscopio está diseñado con una curva de respuesta de frecuencia de un filtro Bessel-Thomson de cuarto orden.

Δ Osciloscopios para modulación de amplitud de pulso (PAM-4) Análisis del transmisor

 

Un osciloscopio de muestreo solo requiere un módulo de osciloscopio con un ancho de banda de 33 GHz o más, ya que su curva de respuesta de frecuencia es similar a la forma del filtro Bessel-Thomson de cuarto orden. Pero un osciloscopio en tiempo real generalmente aplica una respuesta de frecuencia de tipo pared de ladrillos. Por lo tanto, se sugiere que un módulo de osciloscopio adopte un ancho de banda de al menos 50 GHz para simular la curva de respuesta de frecuencia requerida.

 

Tolerancia de interferencia del receptor PAM4

Para los dispositivos receptores PAM4, la tolerancia a la interferencia (tolerancia a señales fuertes) es una de las especificaciones cruciales del transmisor. El propósito de la prueba del receptor PAM4 es introducir una señal defectuosa precisa pero manejable en el extremo receptor. Por tanto, la tolerancia a la interferencia se puede medir de acuerdo con la variación de la tasa de errores de bit (BER).

 

Patrón de prueba OIF CEI 4.0 para PAM4

Los siguientes gráficos definen el método de prueba de tolerancia a interferencias del módulo 56G-VSR-PAM-4 en la especificación OIF CEI 4.0 Draft. En esta metodología, se requiere que los dispositivos de medición tengan suficiente flexibilidad y capacidad de ajuste de parámetros. 

Δ Patrón de prueba para módulo Tx y Rx 56G-VSR-PAM-4

 

En este caso, esta configuración de prueba de especificación plantea desafíos en muchos aspectos. Por ejemplo, hay que pensar en cómo generar señales codificadas autoadaptativas o PRBS31Q PAM4; cómo simular el pre-énfasis en el transmisor. Debido a que la fluctuación determinista es predecible en comparación con la fluctuación aleatoria, también debe descubrir cómo diseñar su transmisor y receptor para eliminarla. Además, cuestiones como cómo simular la pérdida de inserción del canal, cómo simular la manipulación de las comunicaciones causada por los canales adyacentes y cómo calibrar y corregir la señal en la prueba de cumplimiento son todos desafíos enormes en esta metodología de prueba.

 

Probador de tasa de error de bit (BER) para señal PAM4

Un comprobador de tasa de error de bit de alto rendimiento que sea capaz de admitir el ajuste de parámetros flexible para la modulación de amplitud de pulso es un enfoque eficaz para hacer frente a los desafíos anteriores. Si un DUT (Dispositivo bajo prueba) cuenta con una función de corrección de errores de reenvío internamente, la tasa de error de bit (BER) se puede medir en este probador interno. De lo contrario, los datos recibidos se pueden devolver y transmitir al módulo de detección de errores del probador de errores de bits. Por lo tanto, la proporción de bits erróneos se puede determinar finalmente.

 

Además de la tolerancia a la interferencia de la linealidad, las capacidades de recepción son otro parámetro clave del transmisor PAM4. Pero también es un desafío definir cuándo existen la fluctuación, el ruido de la señal y la ISI (interferencia entre símbolos). Afortunadamente, un generador de señales en un detector de errores (o probador BER) para generar señales con fluctuaciones, ruido e interferencia entre símbolos puede marcar la diferencia. Dichas señales se inyectan en el transmisor y la tasa de error de bits (BER) se puede probar mediante el recuento de errores internos o los medios de bucle de datos. Este tipo de señal utilizada para inyectar en el extremo receptor para la prueba de margen generalmente se denomina señal de estrés.

Δ Solución de medición de BER de señal PAM4 de alta velocidad

 

En comparación con la Regla 121 y la Regla 122 en IEEE 802.3bs, esta metodología proporciona una corrección de errores repetitiva para el diagrama de ojo de límite óptico, lo que ahorra horas de tiempo de calibración. Mientras que el software N4917BSCA puede controlar y configurar todos los instrumentos necesarios para la calibración, la sensibilidad del receptor y las pruebas de tolerancia a la fluctuación.

 

Prueba de integridad de señal PAM4 PLTS

PLTS (sistema de prueba de capa física) se está convirtiendo en un cuello de botella en los sistemas de enlace en serie de alta velocidad. En tiempos de redes de baja velocidad de datos, la longitud del nivel de voltaje de interconexión es relativamente corta. La integridad de la señal está relacionada principalmente con controladores y receptores.

Δ N4917BSCA para prueba de señal de tensión del receptor óptico

Cuando la velocidad de recuperación del reloj, la velocidad del bus y la velocidad del enlace superan los gigabits por segundo, la característica de la capa física juega un papel cada vez más importante en una simulación de enlace de señal PAM4. Otro desafío para los ingenieros de diseño de datos actualmente es la tendencia del diseño digital a la topología diferencial, ya que deben analizar todos los modos operativos posibles para tener una comprensión integral del rendimiento del dispositivo. A medida que el análisis combinado del dominio del tiempo y del dominio de la frecuencia se vuelve cada vez más importante, la gestión de múltiples sistemas de prueba se vuelve cada vez más difícil.

 

Conclusión

La tecnología PAM4 puede mejorar efectivamente la eficiencia de la utilización del ancho de banda. Además, PAM4 adopta un formato de modulación de alto orden, lo que reduce la cantidad de dispositivos ópticos utilizados, el rendimiento, el costo y la potencia en diferentes aplicaciones. Con la llegada de los grandes datos y la computación en la nube, así como el creciente tráfico, se necesita urgentemente una técnica de modulación más compleja. Por lo tanto, PAM4 se está convirtiendo en una técnica de modulación de señal crucial en el servicio de centro de datos de hiperescala, ampliamente utilizada en la transmisión de señales eléctricas u ópticas en interfaces de 200G/400G.

 

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