PAM4 신호 및 특성화 테스트 과제

아날로그 신호를 사용하여 디지털 정보를 전송함으로써 데이터 전송 속도가 효과적으로 증가했습니다. 직렬 데이터 전송률이 채널당 56Gbps 이상에 이르면서 증가된 대역폭으로 인한 신호 손상으로 인해 고속 직렬 데이터 업계는 PAM4를 채택하게 되었습니다. 그러나 이 신호 인코딩 체계는 실제 적용에서 일련의 테스트 문제에 직면해 있습니다. 이 기술 개요에서는 NRZ와 PAM4 변조 간의 차이점을 간략히 설명하고 PAM4 신호 테스트의 몇 가지 문제와 해당 기술을 분석합니다.

PAM4 및 NRZ 신호란 무엇입니까?

PAM2(Pulse Amplitude Modulation 2-Level)로도 알려진 NRZ(Non-Return-to-Zero)는 전통적인 디지털 신호 코딩 체계입니다. 이 변조 기술에는 논리 0과 논리 1을 나타내는 두 가지 전압 레벨이 있습니다. 각 신호 심볼 기간은 1비트의 논리 정보를 전송할 수 있습니다. 반면 PAM 신호는 더 많은 전압 신호 레벨을 사용할 수 있으므로 각 신호 심볼 기간이 더 많은 비트의 논리 정보를 전송할 수 있습니다. 예를 들어, PAM4 신호는 데이터 전송을 위해 4개의 다른 신호 레벨을 사용하고 각 심볼 기간은 2비트의 논리 정보(0, 1, 2, 3)를 나타낼 수 있습니다. 다음 그림은 일반적인 NRZ 신호와 PAM4 신호 간의 파형 차이를 보여줍니다.

∆ NRZ 신호 주파수 및 PAM4 신호 주파수 스펙트럼

PAM-4 대 NRZ

PAM4 신호는 심볼 주기당 2비트의 정보를 전송할 수 있으므로 PAM4 신호의 심볼 데이터 전송률은 NRZ 신호의 절반에 도달하면 됩니다. 그 결과 전송 채널로 인한 신호 손실이 크게 줄어듭니다. 즉각적인 데이터 전송으로 연결된 세상에서 더 높은 이더넷 속도와 대역폭이 요구됨에 따라 PAM8 또는 심지어 PAM16 신호와 같은 정보 전송을 위한 더 많은 전압 레벨이 개발될 가능성이 있습니다. PAM4에는 심볼당 2비트, 심볼 레벨 4개, UI당 아이 패턴 3개가 있습니다. 각 심볼 주기는 NRZ보다 두 배 많은 정보를 전송할 수 있습니다.

∆ 10G NRZ, 25G NRZ 및 56G PAM-4의 아이 다이어그램

 

PAM4는 가장 일반적으로 사용되는 3MBase-T 이더넷에서 신호 전송에 100개의 전압 레벨이 사용되기 때문에 최신 신호 변조 기술이 아닙니다. 또한, 무선통신 분야에서 적용되는 16QAM 변조, 32QAM 변조, 64QAM 변조는 모두 반송파 신호를 변조하기 위해 다단계 기저대역 신호를 사용한다. PAM4는 차세대 데이터 센터에서 고속 신호 상호 연결을 위한 대중적인 신호 코딩 및 전송 기술로 전기 또는 광학 신호의 전송에 사용되었습니다. 100G QSFP28 그리고 200G 심지어 400G 인터페이스.

 

PAM4 신호 분석의 과제

PAM4는 4레벨 펄스 진폭 신호 변조 기술로 기존 디지털 신호보다 더 많은 비트 논리 정보를 표시할 수 있습니다. 그러나 PAM4 신호를 설계하고 테스트하는 것은 어려운 일입니다. 예를 들어, PAM4 신호는 SNR(Signal-to-Noise Ratio)이 더 나빠 동일한 시스템 잡음 조건에서 9.5dB에 도달할 수 있습니다.

게다가 PAM16 신호에는 4개의 스위칭 상태가 있어 상부 및 하부 아이 다이어그램의 수직 비대칭이 발생합니다. 또한, 교점과 눈높이 중간에서 측정한 눈폭이 다른 경향이 있다. 비선형 문제도 발생할 가능성이 더 높습니다.

∆ 이더넷 PAM4 신호 생성 및 테스트 흐름도

 

PAM4 신호의 심볼 속도가 감소하더라도 10dB 이상의 채널 손실은 여전히 ​​수신기의 신호 아이 다이어그램에서 완전히 닫힙니다. 따라서 송신단의 프리엠퍼시스와 수신단의 신호 등화는 PAM4 신호 설계 및 테스트 측면에서 두 가지 중요한 요소입니다.

 

PAM4 송신기 테스트 과제

PAM4 기반 송신기의 경우 소광비, 광 변조 진폭, TWDP(송신기 파장 분산 가격), 송신기 선형성 및 지터를 포함한 몇 가지 주요 테스트 매개변수가 있습니다.

PAM4 송신기의 전기적 매개변수는 실시간 오실로스코프 또는 샘플링 오실로스코프로 측정할 수 있습니다. IEEE에서 정의한 26.56G Baud 신호의 경우 전기적 파라미터 테스트를 위해 최소 33GHz 대역폭의 오실로스코프를 사용하는 것이 좋습니다. 이러한 오실로스코프는 XNUMX차 베셀-톰슨 필터의 주파수 응답 곡선으로 설계되었습니다.

∆ 펄스 진폭 변조용 오실로스코프 (PAM-4) 송신기 분석

 

샘플링 오실로스코프는 주파수 응답 곡선이 33차 베셀-톰슨 필터의 모양과 비슷하기 때문에 대역폭이 50GHz 이상인 오실로스코프 모듈만 있으면 됩니다. 그러나 실시간 오실로스코프는 일반적으로 벽돌 벽 유형의 주파수 응답을 적용합니다. 따라서 오실로스코프 모듈은 필요한 주파수 응답 곡선을 시뮬레이션하기 위해 최소 XNUMXGHz의 대역폭을 채택하는 것이 좋습니다.

 

PAM4 수신기 간섭 허용 오차

PAM4 수신기 장치의 경우 간섭 허용 오차(가혹한 신호에 대한 허용 오차)는 중요한 송신기 사양 중 하나입니다. PAM4 수신기 테스트의 목적은 정확하지만 관리 가능한 결함 신호를 수신단에 도입하는 것입니다. 따라서 BER(Bit Error Ratio)의 변화에 ​​따라 간섭 허용오차를 측정할 수 있다.

 

PAM4.0용 OIF CEI 4 테스트 패턴

다음 그래픽은 OIF CEI 56 초안 사양에서 4G-VSR-PAM-4.0 모듈의 간섭 허용 오차 테스트 방법을 정의합니다. 이 방법론에서 측정 장치는 충분한 유연성과 매개변수 조정 기능이 필요합니다. 

∆ 56G-VSR-PAM-4 모듈 Tx 및 Rx에 대한 테스트 패턴

 

이 경우 이 사양 테스트 설정은 여러 측면에서 문제를 제기합니다. 예를 들어 자체 적응 또는 PRBS31Q PAM4 인코딩 신호를 생성하는 방법에 대해 생각해야 합니다. 송신기에서 사전 강조를 시뮬레이트하는 방법. 결정적 지터는 랜덤 지터와 비교할 때 예측 가능하기 때문에 이를 제거하기 위해 송신기와 수신기를 설계하는 방법도 파악해야 합니다. 또한 채널 삽입 손실을 시뮬레이션하는 방법, 인접 채널로 인한 통신 탬퍼링을 시뮬레이션하는 방법, 컴플라이언스 테스트에서 신호를 보정하고 수정하는 방법과 같은 문제는 모두 이 테스트 방법론에서 큰 과제입니다.

 

PAM4 신호용 BER(Bit Error Ratio) 테스터

펄스 진폭 변조를 위한 유연한 매개변수 조정을 지원할 수 있는 고성능 비트 오류율 테스터는 위의 문제를 처리하는 효과적인 접근 방식입니다. DUT(Device Under Test) 내부에 순방향 오류 수정 기능이 있는 경우 이 내부 테스터에서 비트 오류 비율(BER)을 측정할 수 있습니다. 그렇지 않은 경우 수신된 데이터를 루프백하여 비트 오류 테스터의 오류 감지 모듈로 전송할 수 있습니다. 따라서 최종적으로 비트오류율을 결정할 수 있다.

 

선형성 간섭 허용 오차 외에도 수신 기능은 또 다른 주요 PAM4 송신기 매개변수입니다. 그러나 지터, 신호 잡음 및 ISI(심볼 간 간섭)가 존재하는 시기를 정의하는 것도 어렵습니다. 다행스럽게도 지터, 노이즈 및 심볼 간 간섭이 있는 신호를 생성하는 오류 검출기(또는 BER 테스터)의 신호 생성기가 차이를 만들 수 있습니다. 이러한 신호는 송신기에 주입되고 BER(Bit Error Ratio)은 내부 오류 카운트 또는 데이터 루핑 수단으로 테스트할 수 있습니다. 마진 테스트를 위해 수신단에 주입하는 데 사용되는 이러한 종류의 신호를 일반적으로 스트레스 신호라고 합니다.

∆ 고속 PAM4 신호 BER 측정 솔루션

 

IEEE 121bs의 규칙 122 및 규칙 802.3와 비교할 때 이 방법론은 광학 한계 아이 다이어그램에 대한 반복적인 오류 수정을 제공하여 교정 시간을 절약합니다. N4917BSCA 소프트웨어는 교정, 수신기 감도 및 지터 허용 오차 테스트에 필요한 모든 계측기를 제어하고 설정할 수 있습니다.

 

PAM4 PLTS 신호 무결성 테스트

PLTS(Physical Layer Test System)는 고속 직렬 링크 시스템의 병목 현상이 되고 있습니다. 낮은 데이터 속도의 네트워킹 시간에는 상호 연결 전압 레벨 길이가 상대적으로 짧습니다. 신호 무결성은 주로 드라이버 및 수신기와 관련이 있습니다.

∆ N4917BSCA 광 수신기 스트레스 신호 테스트용

클록 복구 속도, 버스 속도 및 링크 속도가 모두 초당 기가비트를 초과하면 물리 계층 특성이 PAM4 신호 링크 시뮬레이션에서 점점 더 중요한 역할을 합니다. 현재 데이터 설계 엔지니어의 또 다른 과제는 디퍼렌셜 토폴로지에 대한 디지털 설계의 추세입니다. 왜냐하면 그들은 장치 성능을 포괄적으로 이해하기 위해 가능한 모든 작동 모드를 분석해야 하기 때문입니다. 시간 영역과 주파수 영역 분석의 결합 분석이 점점 더 중요해짐에 따라 여러 테스트 시스템을 관리하는 것이 점점 더 어려워지고 있습니다.

 

결론

PAM4 기술은 대역폭 활용의 효율성을 효과적으로 향상시킬 수 있습니다. 또한 PAM4는 다양한 응용 분야에서 사용되는 광학 장치의 수, 성능, 비용 및 전력을 줄이는 고차 변조 형식을 채택합니다. 빅데이터와 클라우드 컴퓨팅의 등장과 트래픽의 증가로 인해 보다 복잡한 변조 기법이 절실히 요구되고 있다. 따라서 PAM4는 200G/400G 인터페이스에서 전기 또는 광 신호 전송에 널리 사용되는 하이퍼스케일 데이터 센터 서비스에서 중요한 신호 변조 기술이 되고 있습니다.

 

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