PAM4信号とその特性テストの課題とは

デジタル情報を伝送するためにアナログ信号を使用することで、データ伝送速度が効果的に向上しました。 シリアル データ レートがチャネルあたり 56 Gbps 以上に達すると、帯域幅の増加によって引き起こされる信号障害により、高速シリアル データ業界は PAM4 を採用するようになりました。 ただし、この信号エンコード方式は、実際のアプリケーションで一連のテストの課題にも直面しています。 この技術概要では、NRZ 変調と PAM4 変調の違いを概説し、PAM4 信号テストにおけるいくつかの課題と対応する手法を分析します。

PAM4 および NRZ 信号とは何ですか?

パルス振幅変調2レベル（PAM2）とも呼ばれるNRZ（Non-Return-to-Zero）は、従来のデジタル信号コーディング方式です。 この変調技術には、論理0と論理1を表す1つの電圧レベルがあります。各信号シンボル周期は、4ビットの論理情報を送信できます。 一方、PAM信号はより多くの電圧信号レベルを使用できるため、各信号シンボル周期はより多くのビットの論理情報を送信できます。 たとえば、PAM4信号はデータ送信に2つの異なる信号レベルを使用し、各シンボル周期は0ビットの論理情報（1、2、3、4）を表すことができます。 次の図は、一般的なNRZ信号とPAMXNUMX信号の波形の違いを示しています。

∆NRZ信号周波数とPAM4信号周波数スペクトル

PAM-4 対 NRZ

PAM4 信号はシンボル周期ごとに 2 ビットの情報を送信できるため、PAM4 信号のシンボル データ レートは NRZ 信号の半分に達するだけで済みます。 その結果、伝送チャネルに起因する信号損失が大幅に減少します。 PAM8 信号や PAM16 信号などの情報伝送用により多くの電圧レベルが開発される可能性があります。これは、即時のデータ伝送を伴う接続された世界で、より高速なイーサネット速度と帯域幅が必要とされるためです。 PAM4 には、シンボルあたり 2 ビット、4 つのシンボル レベル、UI あたり 3 つのアイ パターンがあります。 各シンボル期間は、NRZ の XNUMX 倍の情報を送信できます。

Δ 10G NRZ、25G NRZ、56GPAM-4のアイダイアグラム

 

最も一般的に使用されている 4MBase-T イーサネットでは、信号伝送に 3 つの電圧レベルが使用されるため、PAM100 は最新の信号変調技術ではありません。 さらに、無線通信の分野で適用される 16QAM 変調、32QAM 変調、および 64QAM 変調はすべて、多値ベースバンド信号を使用してキャリア信号を変調します。 次世代データセンターでの高速信号相互接続のための一般的な信号コーディングおよび伝送技術として、PAM4 は電気信号または光信号の伝送に使用されています。 100G QSFP28 そして200G、さらには400Gインターフェース。

 

PAM4 シグナルの分析における課題

PAM4 は 4 レベルのパルス振幅信号変調技術であり、従来のデジタル信号よりも多くのビット ロジック情報を表示できます。 ただし、PAM4 信号の設計とテストは困難です。 たとえば、PAM4 信号は信号対雑音比 (SNR) が低く、システム ノイズの同じ条件で 9.5dB に達する場合があります。

さらに、PAM16信号には4のスイッチング状態があり、これにより、上下のアイダイアグラムの垂直方向の非対称性が発生します。 さらに、交点と目の高さの中央で測定された目の幅は異なる傾向があります。 非線形の問題も発生する可能性が高くなります。

Δ イーサネットPAM4信号の生成とテストのフロー図

 

PAM4信号のシンボルレートは低下しますが、10dB以上のチャネル損失は、受信機のシグナルアイダイアグラムを完全に閉じることになります。 したがって、送信側でのプリエンファシスと受信側での信号の等化は、PAM4信号の設計とテストの観点からXNUMXつの重要な要素です。

 

PAM4 送信機テストの課題

PAM4に基づく送信機に関しては、消光比、光変調振幅、TWDP（送信機の波長分散価格）、送信機の線形性、ジッターなど、いくつかの重要なテストパラメーターがあります。

PAM4 トランスミッタの電気的パラメータは、リアルタイム オシロスコープまたはサンプリング オシロスコープで測定できます。 IEEE によって定義された 26.56G ボー信号の場合、電気パラメータのテストには少なくとも 33GHz の帯域幅を持つオシロスコープを使用することをお勧めします。 このようなオシロスコープは、XNUMX 次ベッセル トムソン フィルターの周波数応答曲線を使用して設計されています。

Δ パルス振幅変調用のオシロスコープ （PAM-4）送信機分析

 

サンプリング オシロスコープは、周波数応答曲線が 33 次のベッセル トムソン フィルターの形状に似ているため、帯域幅が 50 GHz 以上のオシロ スコープ モジュールのみを必要とします。 しかし、リアルタイム オシロスコープは通常、ブリック ウォール タイプの周波数応答を適用します。 したがって、オシロスコープ モジュールは、必要な周波数応答曲線をシミュレートするために、少なくとも XNUMXGHz の帯域幅を採用することをお勧めします。

 

PAM4 受信機の干渉耐性

PAM4受信機デバイスの場合、干渉耐性（過酷な信号に対する耐性）は重要な送信機仕様の4つです。 PAMXNUMX受信機テストの目的は、正確でありながら管理しやすい欠陥信号を受信側に導入することです。 したがって、干渉許容誤差は、ビット誤り率（BER）の変動に応じて測定できます。

 

PAM4.0 の OIF CEI 4 テスト パターン

次の図は、OIF CEI56ドラフト仕様の4G-VSR-PAM-4.0モジュールの干渉耐性テスト方法を定義しています。 この方法では、測定デバイスは十分な柔軟性とパラメータ調整機能を備えている必要があります。 

Δ 56G-VSR-PAM-4モジュールのTxおよびRxのテストパターン

 

この場合、この仕様のテスト セットアップは多くの面で課題をもたらします。 たとえば、自己適応型または PRBS31Q PAM4 でエンコードされた信号を生成する方法を考える必要があります。 送信機のプリエンファシスをシミュレートする方法。 デターミニスティック ジッターはランダム ジッターと比較して予測可能なため、送信機と受信機を設計して除去する方法を理解する必要もあります。 さらに、チャネルの挿入損失をシミュレートする方法、隣接チャネルによって引き起こされる通信改ざんをシミュレートする方法、およびコンプライアンス テストで信号を校正および修正する方法などの問題はすべて、このテスト方法論における大きな課題です。

 

PAM4 信号のビット誤り率 (BER) テスター

パルス振幅変調の柔軟なパラメータ調整をサポートできる高性能ビット誤り率テスタは、上記の課題に対処する有効なアプローチです。 DUT(Device Under Test)が内部に前方誤り訂正機能を備えている場合、この内部テスターでビットエラー率(BER)を測定できます。 そうでない場合は、受信データをループバックして、ビットエラーテスターのエラー検出モジュールに送信できます。 このようにして、最終的にビット誤り率を決定することができる。

 

直線性の耐干渉性に加えて、受信機能も PAM4 トランスミッターの重要なパラメーターです。 しかし、ジッタ、信号ノイズ、および ISI (シンボル間干渉) がいつ存在するかを定義することも困難です。 幸いなことに、エラー検出器 (または BER テスター) 内の信号発生器は、ジッター、ノイズ、およびシンボル間干渉を伴う信号を生成します。 このような信号は送信機に注入され、ビット エラー率 (BER) は、内部エラー カウントまたはデータ ループの手段によってテストできます。 マージンテストのために受信側に注入するために使用されるこの種の信号は、通常、ストレス信号と呼ばれます。

Δ 高速PAM4信号BER測定ソリューション

 

IEEE 121bsのルール122およびルール802.3と比較すると、この方法では、光学限界アイダイアグラムのエラー訂正が繰り返され、キャリブレーション時間が節約されます。 N4917BSCAソフトウェアは、キャリブレーション、レシーバ感度、およびジッター耐性テストに必要なすべての機器を制御およびセットアップできます。

 

PAM4 PLTS シグナル インテグリティ テスト

PLTS（物理層テストシステム）は、高速シリアルリンクシステムのボトルネックになりつつあります。 低データレートネットワーキングの時代には、相互接続電圧レベルの長さは比較的短いです。 シグナルインテグリティは、主にドライバーとレシーバーに関連しています。

Δ N4917BSCA 光受信機ストレス信号試験用

クロック回復速度、バス速度、およびリンク速度がすべてギガビット/秒を超えると、物理層の特性が PAM4 信号リンク シミュレーションでますます重要な役割を果たします。 現在、データ設計エンジニアにとってのもう XNUMX つの課題は、デバイスの性能を包括的に理解するために、考えられるすべての動作モードを分析する必要があるため、デジタル設計から差動トポロジへの傾向です。 時間領域と周波数領域の分析を組み合わせた分析がますます重要になるにつれて、複数のテストシステムの管理はますます困難になります。

 

まとめ

PAM4 テクノロジーは、帯域幅の利用効率を効果的に向上させることができます。 また、PAM4 は高次変調方式を採用しているため、さまざまなアプリケーションで使用される光デバイスの数、性能、コスト、電力が削減されます。 ビッグ データとクラウド コンピューティングの出現、およびトラフィックの増加により、より複雑な変調技術が緊急に必要とされています。 そのため、PAM4 は、200G/400G インターフェイスでの電気信号または光信号の伝送に広く使用されている、ハイパースケール データセンター サービスにおける重要な信号変調技術になりつつあります。

 

FiberMall は、100 ギガビット イーサネットで使用するために設計された 28G QSFP4 PAM100 シングル ラムダ光ファイバー トランシーバー シリーズを提供します。  市場がPAM4ベースの変調に移行するにつれて、FiberMall は技術的な困難を克服し、光通信の世界で 200G および 400G PAM4 相互接続ソリューションに前進し続けています。