O que é sinal PAM4 e seus desafios de teste de caracterização

O uso de sinais analógicos para transmitir informações digitais aumentou efetivamente a taxa de transmissão de dados. Com taxas de dados seriais atingindo 56 Gbps por canal e além, as deficiências de sinal causadas pelo aumento da largura de banda levaram o setor de dados seriais de alta velocidade a adotar o PAM4. No entanto, esse esquema de codificação de sinal também enfrenta uma série de desafios de teste na aplicação prática. Este breve resumo da tecnologia descreve as diferenças entre a modulação NRZ e PAM4 e analisa alguns desafios e técnicas correspondentes no teste de sinal PAM4.

O que são sinais PAM4 e NRZ?

NRZ (Non-Return-to-Zero), também conhecido como Pulse Amplitude Modulation 2-Level (PAM2), é um esquema tradicional de codificação de sinal digital. Esta técnica de modulação tem dois níveis de tensão para representar a lógica 0 e a lógica 1. Cada período de símbolo de sinal pode transmitir 1 bit de informação lógica. Enquanto o sinal PAM pode usar mais níveis de sinal de tensão, de modo que cada período de símbolo de sinal pode transmitir mais bits de informações lógicas. Por exemplo, o sinal PAM4 usa 4 níveis de sinal diferentes para transmissão de dados, e cada período de símbolo pode representar 2 bits de informação lógica (0, 1, 2, 3). A figura a seguir mostra a diferença da forma de onda entre um sinal NRZ típico e o sinal PAM4.

∆ Frequência do sinal NRZ e espectro de frequência do sinal PAM4

PAM-4 x NRZ

Como o sinal PAM4 pode transmitir 2 bits de informação por período de símbolo, a taxa de dados de símbolo do sinal PAM4 precisa atingir apenas metade do sinal NRZ. Como resultado, a perda de sinal causada pelo canal de transmissão é bastante reduzida. É possível que mais níveis de tensão para transmissão de informações, como sinais PAM8 ou mesmo PAM16, sejam desenvolvidos à medida que maior velocidade Ethernet e largura de banda são necessárias em um mundo conectado com transmissão instantânea de dados. PAM4 tem 2 bits por símbolo, 4 níveis de símbolo e 3 padrões oculares por UI; cada período de símbolo pode transmitir duas vezes mais informações que NRZ.

∆ Diagrama do olho de 10G NRZ, 25G NRZ e 56G PAM-4

 

PAM4 não é a mais recente técnica de modulação de sinal porque 3 níveis de tensão são usados ​​para transmissão de sinal na Ethernet 100MBase-T mais comumente usada. Além disso, a modulação 16QAM, a modulação 32QAM e a modulação 64QAM aplicadas no campo da comunicação sem fio usam sinais de banda base multinível para modular o sinal da portadora. Como uma tecnologia popular de codificação e transmissão de sinal para interconexão de sinal de alta velocidade no data center de última geração, o PAM4 tem sido usado na transmissão de sinais elétricos ou ópticos em 100G QSFP28 e interfaces 200G até 400G.

 

Desafios na análise do sinal PAM4

O PAM4 é uma técnica de modulação de sinal de amplitude de pulso de 4 níveis, que pode exibir mais informações lógicas de bits do que os sinais digitais tradicionais. No entanto, é um desafio projetar e testar sinais PAM4. Por exemplo, o sinal PAM4 tem uma relação sinal-ruído (SNR) pior, podendo chegar a 9.5dB na mesma condição de ruído do sistema.

Além disso, existem 16 estados de comutação no sinal PAM4, o que causará a assimetria vertical dos diagramas do olho superior e inferior. Além disso, a largura do olho medida no ponto de intersecção e no meio da altura do olho tende a ser diferente. Problemas não lineares também são mais prováveis ​​de ocorrer.

∆ Diagrama de fluxo de geração e teste de sinal Ethernet PAM4

 

Embora a taxa de símbolo do sinal PAM4 seja reduzida, a perda de canal de 10dB ou mais ainda levará a um fechamento completo no diagrama de olho do sinal do receptor. Portanto, a pré-ênfase na extremidade de transmissão e a equalização de sinal na extremidade de recepção são dois fatores importantes em termos de projeto e teste de sinal PAM4.

 

Desafios do teste do transmissor PAM4

Quando se trata de transmissores baseados em PAM4, existem alguns parâmetros de teste principais, incluindo taxa de extinção, amplitude de modulação óptica, TWDP (preço de dispersão do comprimento de onda do transmissor), linearidade do transmissor e jitter.

Os parâmetros elétricos do transmissor PAM4 podem ser medidos por um osciloscópio de tempo real ou um osciloscópio de amostragem. Para o sinal Baud de 26.56 G definido pelo IEEE, recomenda-se usar um osciloscópio com largura de banda de pelo menos 33 GHz para teste de parâmetros elétricos. Esse osciloscópio é projetado com uma curva de resposta em frequência de um filtro Bessel-Thomson de quarta ordem.

∆ Osciloscópios para modulação de amplitude de pulso (PAM-4) Análise do transmissor

 

Um osciloscópio de amostragem requer apenas um módulo de osciloscópio com uma largura de banda de 33 GHz ou mais, pois sua curva de resposta de frequência é semelhante à forma do filtro Bessel-Thomson de quarta ordem. Mas um osciloscópio de tempo real geralmente aplica uma resposta de frequência do tipo parede de tijolos. Portanto, sugere-se que um módulo de osciloscópio adote uma largura de banda de pelo menos 50 GHz para simular a curva de resposta de frequência necessária.

 

Tolerância de interferência do receptor PAM4

Para dispositivos receptores PAM4, a tolerância à interferência (tolerância a sinais agressivos) é uma das especificações cruciais do transmissor. O objetivo do teste do receptor PAM4 é introduzir um sinal defeituoso preciso, mas gerenciável, na extremidade receptora. Assim, a tolerância à interferência pode ser medida de acordo com a variação da razão de erro de bit (BER).

 

Padrão de teste OIF CEI 4.0 para PAM4

Os gráficos a seguir definem o método de teste de tolerância à interferência do módulo 56G-VSR-PAM-4 na especificação OIF CEI 4.0 Draft. Nesta metodologia, os dispositivos de medição devem ter flexibilidade suficiente e capacidade de ajuste de parâmetros. 

∆ Padrão de teste para o módulo 56G-VSR-PAM-4 Tx e Rx

 

Nesse caso, essa configuração de teste de especificação apresenta desafios em muitos aspectos. Por exemplo, você tem que pensar em como gerar um sinal auto-adaptativo ou PRBS31Q PAM4 codificado; como simular a pré-ênfase no transmissor. Como o jitter determinístico é previsível quando comparado ao jitter aleatório, você também precisa descobrir como projetar seu transmissor e receptor para eliminá-lo. Além disso, questões como simular perda de inserção de canal, como simular adulteração de comunicação causada por canais adjacentes e como calibrar e corrigir o sinal no teste de conformidade são todos grandes desafios nessa metodologia de teste.

 

Testador de taxa de erro de bit (BER) para sinal PAM4

Um testador de taxa de erro de bit de alto desempenho capaz de suportar o ajuste de parâmetro flexível para modulação de amplitude de pulso é uma abordagem eficaz para lidar com os desafios acima. Se um DUT (Device Under Test) possui uma função de correção de erro de encaminhamento internamente, a taxa de erro de bit (BER) pode ser medida neste testador interno. Caso contrário, os dados recebidos podem ser repetidos e transmitidos ao módulo de detecção de erro do testador de erro de bit. Assim, a taxa de erro de bit pode ser determinada finalmente.

 

Além da tolerância de interferência de linearidade, as capacidades de recepção são outro parâmetro chave do transmissor PAM4. Mas também é um desafio definir quando existe o jitter, ruído de sinal e ISI (interferência entre símbolos). Felizmente, um gerador de sinal em um detector de erro (ou testador BER) para gerar sinais com jitter, ruído e interferência entre símbolos pode fazer a diferença. Tais sinais são injetados no transmissor e a taxa de erro de bit (BER) pode ser testada pela contagem de erros internos ou por meio de loop de dados. Esse tipo de sinal usado para injetar na extremidade receptora para o teste de margem geralmente é chamado de sinal de estresse.

∆ Solução de medição de sinal BER de alta velocidade PAM4

 

Comparado com a Regra 121 e Regra 122 em IEEE 802.3bs, esta metodologia fornece uma correção de erro repetitiva para o diagrama óptico de limite de olho, economizando horas de tempo de calibração. Enquanto o software N4917BSCA pode controlar e configurar todos os instrumentos necessários para calibração, sensibilidade do receptor e teste de tolerância de jitter.

 

Teste de Integridade de Sinal PAM4 PLTS

O PLTS (sistema de teste da camada física) está se tornando um gargalo em sistemas de link serial de alta velocidade. Em tempos de rede com baixa taxa de dados, o comprimento do nível de tensão de interconexão é relativamente curto. A integridade do sinal está principalmente relacionada aos drivers e receptores.

∆ N4917BSCA para Teste de Sinal de Tensão do Receptor Ótico

Quando a velocidade de recuperação do clock, a velocidade do barramento e a velocidade do link excedem gigabits por segundo, a característica da camada física desempenha um papel cada vez mais importante em uma simulação de link de sinal PAM4. Outro desafio para os engenheiros de projeto de dados atualmente é a tendência do projeto digital para a topologia diferencial, pois eles devem analisar todos os modos de operação possíveis para ter uma compreensão abrangente do desempenho do dispositivo. À medida que a análise combinada do domínio do tempo e da análise do domínio da frequência se torna cada vez mais importante, o gerenciamento de vários sistemas de teste torna-se cada vez mais difícil.

 

Conclusão

A tecnologia PAM4 pode efetivamente melhorar a eficiência da utilização da largura de banda. Além disso, o PAM4 adota um formato de modulação de alta ordem, o que reduz o número de dispositivos ópticos usados, o desempenho, o custo e a potência em diferentes aplicações. Com o advento de big data e computação em nuvem, bem como o tráfego crescente, uma técnica de modulação mais complexa é necessária com urgência. Portanto, o PAM4 está se tornando uma técnica de modulação de sinal crucial no serviço de data center em hiperescala, amplamente utilizado na transmissão de sinais elétricos ou ópticos em interfaces 200G/400G.

 

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