Qu'est-ce que le signal PAM4 et ses défis de test de caractérisation

L'utilisation de signaux analogiques pour transmettre des informations numériques a effectivement augmenté le débit de transmission de données. Avec des débits de données série atteignant 56 Gbps par canal et au-delà, les dégradations du signal causées par l'augmentation de la bande passante ont incité l'industrie des données série à haut débit à adopter PAM4. Cependant, ce schéma de codage de signal est également confronté à une série de défis de test dans l'application pratique. Ce bref aperçu de la technologie décrit les différences entre la modulation NRZ et PAM4 et analyse certains défis et techniques correspondantes dans les tests de signaux PAM4.

Que sont les signaux PAM4 et NRZ ?

NRZ (Non-Return-to-Zero), également connu sous le nom de modulation d'amplitude d'impulsion à 2 niveaux (PAM2) est un schéma de codage de signal numérique traditionnel. Cette technique de modulation a deux niveaux de tension pour représenter la logique 0 et la logique 1. Chaque période de symbole de signal peut transmettre 1 bit d'information logique. Alors que le signal PAM peut utiliser plus de niveaux de signal de tension de sorte que chaque période de symbole de signal puisse transmettre plus de bits d'informations logiques. Par exemple, le signal PAM4 utilise 4 niveaux de signal différents pour la transmission de données, et chaque période de symbole peut représenter 2 bits d'informations logiques (0, 1, 2, 3). La figure suivante montre la différence de forme d'onde entre un signal NRZ typique et le signal PAM4.

∆ Fréquence du signal NRZ et spectre de fréquence du signal PAM4

PAM-4 contre NRZ

Etant donné que le signal PAM4 peut transmettre 2 bits d'information par période de symbole, le débit de données de symbole du signal PAM4 n'a besoin d'atteindre que la moitié du signal NRZ. En conséquence, la perte de signal causée par le canal de transmission est considérablement réduite. Il est possible que davantage de niveaux de tension pour la transmission d'informations tels que les signaux PAM8 ou même PAM16 soient développés car une vitesse et une bande passante Ethernet supérieures sont nécessaires dans un monde connecté avec une transmission de données instantanée. PAM4 a 2 bits par symbole, 4 niveaux de symboles et 3 modèles d'œil par interface utilisateur ; chaque période de symbole peut transmettre deux fois plus d'informations que NRZ.

Δ Diagramme oculaire de 10G NRZ, 25G NRZ et 56G PAM-4

 

PAM4 n'est pas la dernière technique de modulation de signal car 3 niveaux de tension sont utilisés pour la transmission du signal dans l'Ethernet 100MBase-T le plus couramment utilisé. De plus, la modulation 16QAM, la modulation 32QAM et la modulation 64QAM appliquées dans le domaine de la communication sans fil utilisent toutes des signaux en bande de base à plusieurs niveaux pour moduler le signal porteur. En tant que technologie de codage et de transmission de signaux populaire pour l'interconnexion de signaux à grande vitesse dans le centre de données de nouvelle génération, PAM4 a été utilisé dans la transmission de signaux électriques ou optiques sur 100G QSFP28 et des interfaces 200G voire 400G.

 

Défis liés à l'analyse du signal PAM4

PAM4 est une technique de modulation de signal d'amplitude d'impulsion à 4 niveaux, qui peut afficher plus d'informations logiques sur les bits que les signaux numériques traditionnels. Cependant, il est difficile de concevoir et de tester les signaux PAM4. Par exemple, le signal PAM4 a un rapport signal sur bruit (SNR) pire, qui peut atteindre 9.5 dB dans les mêmes conditions de bruit système.

En outre, il existe 16 états de commutation dans le signal PAM4, ce qui provoquera l'asymétrie verticale des diagrammes de l'œil supérieur et inférieur. De plus, la largeur des yeux mesurée au point d'intersection et au milieu de la hauteur des yeux a tendance à être différente. Les problèmes non linéaires sont également plus susceptibles de se produire.

Δ Diagramme de flux de génération et de test de signaux Ethernet PAM4

 

Bien que le débit de symboles du signal PAM4 soit réduit, la perte de canal de 10 dB ou plus entraînera toujours une fermeture complète du diagramme de l'œil du signal du récepteur. Par conséquent, la préaccentuation à l'extrémité émettrice et l'égalisation du signal à l'extrémité réceptrice sont deux facteurs importants en termes de conception et de test du signal PAM4.

 

Défis de test de l'émetteur PAM4

En ce qui concerne les émetteurs basés sur PAM4, il existe quelques paramètres de test clés, notamment le taux d'extinction, l'amplitude de modulation optique, le TWDP (prix de dispersion de la longueur d'onde de l'émetteur), la linéarité de l'émetteur et la gigue.

Les paramètres électriques du transmetteur PAM4 peuvent être mesurés par un oscilloscope en temps réel ou un oscilloscope à échantillonnage. Pour le signal 26.56 G Baud défini par l'IEEE, il est recommandé d'utiliser un oscilloscope avec une bande passante d'au moins 33 GHz pour le test des paramètres électriques. Un tel oscilloscope est conçu avec une courbe de réponse en fréquence d'un filtre Bessel-Thomson du quatrième ordre.

Δ Oscilloscopes pour la modulation d'amplitude d'impulsion (PAM-4) Analyse de l'émetteur

 

Un oscilloscope à échantillonnage ne nécessite qu'un module d'oscilloscope avec une bande passante de 33 GHz ou plus car sa courbe de réponse en fréquence est similaire à la forme du filtre Bessel-Thomson du quatrième ordre. Mais un oscilloscope en temps réel applique généralement une réponse en fréquence de type mur de briques. Par conséquent, il est suggéré qu'un module d'oscilloscope adopte une bande passante d'au moins 50 GHz afin de simuler la courbe de réponse en fréquence requise.

 

Tolérance aux interférences du récepteur PAM4

Pour les appareils récepteurs PAM4, la tolérance aux interférences (tolérance aux signaux durs) est l'une des spécifications cruciales de l'émetteur. Le but du test du récepteur PAM4 est d'introduire un signal défectueux précis mais gérable dans l'extrémité de réception. Ainsi, la tolérance aux interférences peut être mesurée en fonction de la variation du taux d'erreur sur les bits (BER).

 

Modèle de test OIF CEI 4.0 pour PAM4

Les graphiques suivants définissent la méthode de test de tolérance aux interférences du module 56G-VSR-PAM-4 dans la spécification OIF CEI 4.0 Draft. Dans cette méthodologie, les dispositifs de mesure doivent avoir une flexibilité et une capacité de réglage des paramètres suffisantes. 

Δ Modèle de test pour le module 56G-VSR-PAM-4 Tx et Rx

 

Dans ce cas, cette configuration de test de spécification pose des défis à bien des égards. Par exemple, vous devez réfléchir à la manière de générer des signaux codés auto-adaptatifs ou PRBS31Q PAM4 ; comment simuler la préaccentuation sur l'émetteur. Étant donné que la gigue déterministe est prévisible par rapport à la gigue aléatoire, vous devez également déterminer comment concevoir votre émetteur et votre récepteur pour l'éliminer. De plus, des problèmes tels que la façon de simuler la perte d'insertion de canal, la façon de simuler la falsification des communications causée par les canaux adjacents et la façon de calibrer et de corriger le signal lors du test de conformité sont tous d'énormes défis dans cette méthodologie de test.

 

Testeur de taux d'erreur sur les bits (BER) pour le signal PAM4

Un testeur de taux d'erreur sur les bits hautes performances capable de prendre en charge le réglage flexible des paramètres pour la modulation d'amplitude d'impulsion est une approche efficace pour relever les défis ci-dessus. Si un DUT (Device Under Test) dispose d'une fonction de correction d'erreur directe en interne, le taux d'erreur sur les bits (BER) peut être mesuré dans ce testeur interne. Sinon, les données reçues peuvent être rebouclées et transmises au module de détection d'erreurs du testeur d'erreurs sur les bits. Ainsi, le taux d'erreur sur les bits peut être déterminé finalement.

 

En plus de la tolérance aux interférences de linéarité, les capacités de réception sont un autre paramètre clé de l'émetteur PAM4. Mais il est également difficile de définir quand la gigue, le bruit du signal et l'ISI (interférence inter-symboles) existent. Heureusement, un générateur de signal dans un détecteur d'erreur (ou testeur BER) pour générer des signaux avec gigue, bruit et interférence inter-symbole peut faire la différence. De tels signaux sont injectés dans l'émetteur et le taux d'erreur sur les bits (BER) peut être testé par le nombre d'erreurs internes ou les moyens de bouclage des données. Ce type de signal utilisé pour injecter dans l'extrémité de réception pour le test de marge est généralement appelé un signal de stress.

Δ Solution de mesure BER du signal PAM4 à grande vitesse

 

Par rapport aux règles 121 et 122 de l'IEEE 802.3bs, cette méthodologie fournit une correction d'erreur répétitive pour le diagramme de l'œil limite optique, économisant des heures de temps d'étalonnage. Alors que le logiciel N4917BSCA peut contrôler et configurer tous les instruments nécessaires pour l'étalonnage, la sensibilité du récepteur et les tests de tolérance de gigue.

 

Test d'intégrité du signal PAM4 PLTS

PLTS (système de test de couche physique) devient un goulot d'étranglement dans les systèmes de liaison série à haut débit. À l'époque des réseaux à faible débit de données, la longueur du niveau de tension d'interconnexion est relativement courte. L'intégrité du signal est principalement liée aux pilotes et aux récepteurs.

Δ N4917BSCA pour le test de signal de contrainte du récepteur optique

Lorsque la vitesse de récupération d'horloge, la vitesse du bus et la vitesse de la liaison dépassent toutes le gigabit par seconde, la caractéristique de la couche physique joue un rôle de plus en plus important dans une simulation de liaison de signal PAM4. Un autre défi pour les ingénieurs de conception de données est actuellement la tendance de la conception numérique à la topologie différentielle, car ils doivent analyser tous les modes de fonctionnement possibles afin d'avoir une compréhension complète des performances de l'appareil. Alors que l'analyse combinée du domaine temporel et de l'analyse du domaine fréquentiel devient de plus en plus importante, la gestion de plusieurs systèmes de test devient de plus en plus difficile.

 

Conclusion

La technologie PAM4 peut améliorer efficacement l'efficacité de l'utilisation de la bande passante. De plus, PAM4 adopte un format de modulation d'ordre élevé, qui réduit le nombre de dispositifs optiques utilisés, les performances, le coût et la puissance dans différentes applications. Avec l'avènement du big data et du cloud computing ainsi que le trafic croissant, une technique de modulation plus complexe est nécessaire de toute urgence. Par conséquent, PAM4 devient une technique de modulation de signal cruciale dans le service de centre de données hyperscale, largement utilisée dans la transmission de signaux électriques ou optiques sur des interfaces 200G/400G.

 

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