Что такое сигнал PAM4 и задачи тестирования его характеристик

Использование аналоговых сигналов для передачи цифровой информации значительно увеличило скорость передачи данных. При скорости последовательной передачи данных, достигающей 56 Гбит/с на канал и выше, искажения сигнала, вызванные увеличением полосы пропускания, побудили индустрию высокоскоростных последовательных данных принять PAM4. Однако эта схема кодирования сигналов также сталкивается с рядом проблем тестирования при практическом применении. В этом кратком описании технологии описываются различия между модуляцией NRZ и PAM4, а также анализируются некоторые проблемы и соответствующие методы тестирования сигналов PAM4.

Что такое сигналы PAM4 и NRZ?

NRZ (Non-Return-to-Zero), также известный как 2-уровневая амплитудно-импульсная модуляция (PAM2), представляет собой традиционную схему кодирования цифрового сигнала. Этот метод модуляции имеет два уровня напряжения для представления логического 0 и логического 1. Каждый период символа сигнала может передавать 1 бит логической информации. Принимая во внимание, что сигнал PAM может использовать больше уровней сигнала напряжения, так что каждый период символа сигнала может передавать больше битов логической информации. Например, сигнал PAM4 использует 4 разных уровня сигнала для передачи данных, и каждый период символа может представлять 2 бита логической информации (0, 1, 2, 3). На следующем рисунке показана разница формы сигнала между типичным сигналом NRZ и сигналом PAM4.

∆ Частота сигнала NRZ и частотный спектр сигнала PAM4

ПАМ-4 против НРЗ

Поскольку сигнал PAM4 может передавать 2 бита информации за период символа, скорость передачи символа сигнала PAM4 должна достигать только половины скорости сигнала NRZ. В результате потери сигнала, вызванные каналом передачи, значительно уменьшаются. Вполне возможно, что будут разработаны дополнительные уровни напряжения для передачи информации, такие как сигналы PAM8 или даже PAM16, поскольку в подключенном мире с мгновенной передачей данных требуется более высокая скорость и пропускная способность Ethernet. PAM4 имеет 2 бита на символ, 4 уровня символов и 3 глазковых шаблона на пользовательский интерфейс; каждый период символа может передавать в два раза больше информации, чем NRZ.

Δ Глазковая диаграмма 10G NRZ, 25G NRZ и 56G PAM-4

 

PAM4 не является новейшей технологией модуляции сигнала, поскольку для передачи сигнала в наиболее часто используемом 3MBase-T Ethernet используется 100 уровня напряжения. Кроме того, модуляция 16QAM, модуляция 32QAM и модуляция 64QAM, применяемые в области беспроводной связи, используют многоуровневые модулирующие сигналы для модуляции несущего сигнала. В качестве популярной технологии кодирования и передачи сигналов для высокоскоростного соединения сигналов в центрах обработки данных следующего поколения PAM4 использовался для передачи электрических или оптических сигналов на 100G QSFP28 и интерфейсы 200G даже 400G.

 

Проблемы анализа сигнала PAM4

PAM4 — это 4-уровневый метод модуляции импульсно-амплитудного сигнала, который может отображать больше битовой логической информации, чем традиционные цифровые сигналы. Однако спроектировать и протестировать сигналы PAM4 сложно. Например, сигнал PAM4 имеет худшее отношение сигнал-шум (SNR), которое может достигать 9.5 дБ при тех же условиях системного шума.

Кроме того, в сигнале PAM16 имеется 4 состояний переключения, которые вызывают вертикальную асимметрию верхней и нижней глазковых диаграмм. Кроме того, ширина глаза, измеренная в точке пересечения и в середине высоты глаза, имеет тенденцию быть разной. Также более вероятно возникновение нелинейных проблем.

Δ Блок-схема генерации и тестирования сигналов Ethernet PAM4

 

Хотя скорость передачи символов сигнала PAM4 снижается, потеря канала на 10 дБ или более все равно приведет к полному закрытию глазковой диаграммы сигнала приемника. Следовательно, предварительное выделение на передающей стороне и выравнивание сигнала на приемной стороне являются двумя важными факторами с точки зрения разработки и тестирования сигнала PAM4.

 

Проблемы тестирования передатчика PAM4

Когда дело доходит до передатчиков на основе PAM4, существует несколько ключевых параметров тестирования, включая коэффициент ослабления, амплитуду оптической модуляции, TWDP (стоимость дисперсии длины волны передатчика), линейность передатчика и джиттер.

Электрические параметры передатчика PAM4 можно измерить с помощью осциллографа реального времени или стробоскопического осциллографа. Для сигнала 26.56 Гбод, определенного IEEE, рекомендуется использовать осциллограф с полосой пропускания не менее 33 ГГц для проверки электрических параметров. Такой осциллограф разработан с АЧХ фильтра Бесселя-Томсона четвертого порядка.

Δ Осциллографы для амплитудно-импульсной модуляции (PAM-4) Анализ передатчика

 

Для стробоскопического осциллографа требуется только модуль осциллографа с полосой пропускания 33 ГГц или более, поскольку его частотная характеристика аналогична форме фильтра Бесселя-Томсона четвертого порядка. Но осциллограф реального времени обычно использует частотную характеристику кирпичной стены. Поэтому предлагается использовать модуль осциллографа с полосой пропускания не менее 50 ГГц, чтобы смоделировать требуемую частотную характеристику.

 

Помехоустойчивость приемника PAM4

Для приемных устройств PAM4 устойчивость к помехам (устойчивость к резким сигналам) является одной из важнейших характеристик передатчика. Цель тестирования приемника PAM4 - ввести точный, но управляемый дефектный сигнал на приемную сторону. Таким образом, устойчивость к помехам может быть измерена в соответствии с изменением коэффициента ошибок по битам (BER).

 

Тестовый шаблон OIF CEI 4.0 для PAM4

На следующих рисунках описан метод проверки устойчивости к помехам модуля 56G-VSR-PAM-4 в спецификации OIF CEI 4.0 Draft. В этой методологии измерительные устройства должны обладать достаточной гибкостью и возможностью настройки параметров. 

Δ Тестовая таблица для модулей Tx и Rx 56G-VSR-PAM-4

 

В этом случае эта тестовая установка спецификации создает проблемы во многих аспектах. Например, вам нужно подумать о том, как генерировать самоадаптирующиеся сигналы, закодированные PRBS31Q или PAM4; как имитировать предыскажения на передатчике. Поскольку детерминированный джиттер предсказуем по сравнению со случайным джиттером, вам также необходимо выяснить, как спроектировать передатчик и приемник, чтобы его устранить. Более того, такие вопросы, как имитировать вносимые потери в канале, как имитировать нарушение связи, вызванное соседними каналами, и как откалибровать и скорректировать сигнал при тестировании на соответствие, являются огромными проблемами в этой методологии тестирования.

 

Тестер коэффициента битовых ошибок (BER) для сигнала PAM4

Высокопроизводительный тестер коэффициента битовых ошибок, способный поддерживать гибкую настройку параметров амплитудно-импульсной модуляции, является эффективным подходом к решению вышеперечисленных проблем. Если DUT (тестируемое устройство) имеет внутреннюю функцию прямой коррекции ошибок, коэффициент битовых ошибок (BER) может быть измерен в этом внутреннем тестере. В противном случае полученные данные могут быть закольцованы и переданы в модуль обнаружения ошибок тестера битовых ошибок. Таким образом, можно окончательно определить коэффициент битовых ошибок.

 

В дополнение к устойчивости к линейным помехам возможности приема являются еще одним ключевым параметром передатчика PAM4. Но также сложно определить, когда существуют джиттер, шум сигнала и ISI (межсимвольные помехи). К счастью, генератор сигналов в детекторе ошибок (или тестере BER) для генерации сигналов с джиттером, шумом и межсимвольными помехами может иметь значение. Такие сигналы вводятся в передатчик, и коэффициент ошибок по битам (BER) может быть проверен с помощью внутреннего подсчета ошибок или средств зацикливания данных. Этот вид сигнала, используемый для подачи на приемную сторону для проверки запаса, обычно называется сигналом стресса.

Δ Высокоскоростное решение для измерения BER сигнала PAM4

 

По сравнению с Правилом 121 и Правилом 122 в IEEE 802.3bs, эта методология обеспечивает исправление повторяющихся ошибок для глазковой диаграммы оптических пределов, экономя часы калибровочного времени. В то время как программное обеспечение N4917BSCA может управлять и настраивать все необходимые инструменты для калибровки, чувствительности приемника и тестирования устойчивости к джиттеру.

 

Тестирование целостности сигнала PAM4 PLTS

PLTS (система тестирования физического уровня) становится узким местом в системах высокоскоростной последовательной связи. Во времена сетей с низкой скоростью передачи данных длина уровня межблочного напряжения относительно мала. Целостность сигнала в основном связана с драйверами и приемниками.

Δ N4917BSCA для испытания стресс-сигнала оптического приемника

Когда скорость восстановления тактовой частоты, скорость шины и скорость соединения превышают гигабит в секунду, характеристики физического уровня играют все более и более важную роль в моделировании сигнального канала PAM4. Еще одной проблемой для инженеров по проектированию данных в настоящее время является тенденция цифрового проектирования к дифференциальной топологии, поскольку они должны анализировать все возможные режимы работы, чтобы иметь полное представление о производительности устройства. По мере того, как комбинированный анализ во временной и частотной областях становится все более и более важным, управление несколькими тестовыми системами становится все более и более сложным.

 

Заключение

Технология PAM4 может эффективно повысить эффективность использования полосы пропускания. Кроме того, PAM4 использует формат модуляции высокого порядка, что снижает количество используемых оптических устройств, производительность, стоимость и мощность в различных приложениях. С появлением больших данных и облачных вычислений, а также растущим трафиком остро необходима более сложная техника модуляции. Таким образом, PAM4 становится важнейшим методом модуляции сигнала в гипермасштабных центрах обработки данных, широко используемым при передаче электрических или оптических сигналов по интерфейсам 200G/400G.

 

FiberMall предлагает серию волоконно-оптических приемопередатчиков 100G QSFP28 PAM4 с одним лямбда-каналом, предназначенных для использования в сетях 100 Gigabit Ethernet.  По мере того, как рынок переходит на модуляцию на основе PAM4, FiberMall продолжает преодолевать технические трудности и двигаться вперед к решениям межсетевого взаимодействия 200G и 400G PAM4 в мире оптической связи.