引言

隨著數(shù)據(jù)中心，高速光通信和電信數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，采用NRZ編碼的高速串行數(shù)據(jù)速率從傳統(tǒng)的10Gbps每通道不斷升級到32Gbps每通道。由于數(shù)據(jù)吞吐量爆發(fā)式增長，需要更高的單通道數(shù)據(jù)通信速率，編碼方式也從傳統(tǒng)的NRZ編碼轉(zhuǎn)變?yōu)榱薖AM4編碼，在PAM4編碼模式的支持下，每一路速率可以直接支持到56Gbps到112Gbps。

在最新的高速光模塊接口和電模塊接口標(biāo)準(zhǔn)中，200G和400G的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)都是采用PAM4編碼，同時內(nèi)置了各種高級診斷的功能。 同樣在消費(fèi)電子類的產(chǎn)品中，也出現(xiàn)了PCIE Gen3/4、USB3.0/3.1、Thunderbolt、 SATA等各種高速總線，速率范圍可以從2.5Gbps一直到32Gbps。針對PAM4的高速測試要求，PAM4碼型發(fā)生器正成為高速誤碼測試的基本組成部分。 由于PAM4的信號產(chǎn)生有多種實(shí)現(xiàn)方式，下面就當(dāng)前主流的PAM4碼型發(fā)生器進(jìn)行比較。

PAM4概覽

PAM4作為新出現(xiàn)的高速串行總線編碼模式，在幾乎所有超過50Gbps的標(biāo)準(zhǔn)中都存在。由于在同等速率的情況下帶寬的要求是NRZ的一半，對于絕大多數(shù)的高速電纜、背板以及連接器而言，使用PAM4編碼可以在速率翻倍的情況下具備同樣的奈奎斯特頻率。

由于每一個symbol或者每一個UI傳輸2個比特的數(shù)據(jù)，那么在同樣的輸出幅度的情況下，需要區(qū)分4種不同的電平，這帶來了9dB的信噪比惡化。在高速總線傳輸過程中，抖動和噪聲是影響誤碼率的最關(guān)鍵指標(biāo)，信噪比惡化意味著誤碼率的提升。所以在相同速率的情況下對比NRZ和PAM4，PAM4利用了四電平的調(diào)制方式，通過犧牲信噪比來換取奈奎斯特頻率的減半。下圖是NRZ和PAM4 這兩種編碼模式下的帶寬、速率、定時、信噪比的對比。

由于PAM4的信號是多電平，對于測試測量而言是一個挑戰(zhàn)，下面是一個PAM4的眼圖的示例。

?

?

對于NRZ信號而言，只存在一個上升沿和一個下降沿。 但是對于PAM4信號，跳變發(fā)生在LEVEL0、LEVEL1、LEVEL2、LEVEL3之間的一共12種跳變。 而由于這些多重信號幅度之間的跳變會導(dǎo)致眼高和眼寬的惡化，一個高質(zhì)量的PAM4信號源在測試中至關(guān)重要。

PAM4碼型產(chǎn)生的四種方法

傳統(tǒng)的PAM4誤碼儀分為PAM4信號發(fā)生器PPG和PAM4信號誤碼比較接收器ED兩個部分。對于PAM4信號發(fā)生器而言，目前有4種比較流行的方法產(chǎn)生PAM4輸出信號。（由于文章篇幅太長，此處上篇列舉兩種方法，下篇更多精彩正在來的路上！）

1）2路NRZ碼型發(fā)生器無源合成1路PAM4碼型發(fā)生器

早期的誤碼儀都是通過2路NRZ高速碼型發(fā)生器輸出信號后，經(jīng)過無源的射頻器件（即通過衰減器和合成器）來合并成一路PAM4信號，PAM4應(yīng)用出現(xiàn)早期到目前主流的PAM4信號發(fā)生器都是延用這種方式。

該方法具體實(shí)現(xiàn)是依靠NRZ碼型發(fā)生器輸出2路碼速率完全一致的NRZ信號，通過高頻電纜連接到外部的無源寬帶合成器，調(diào)節(jié)兩路信號的相位，使之初始相位完全相同，再調(diào)節(jié)衰減器，其中一路的幅度為滿幅度（作為PAM4 的msb），另一路為半幅度（作為PAM4的lsb），合成后即可將2路雙電平的NRZ的信號合并為一路四電平的PAM4信號。從構(gòu)架上看，它其實(shí)是2路NRZ的碼型發(fā)生器合并而成，不可避免的存在一些限制。下圖是一個雙通道的NRZ碼型發(fā)生器產(chǎn)生PAM4的圖例。

?

性能的影響：2路NRZ輸出接到寬帶功率合成器后，由于信號衰減，性能不可避免的會受到影響，例如抖動、上升時間、由于線性度不好導(dǎo)致的額外噪聲。在不同的速率下，為了保證2路NRZ輸出初始相位一致，每次總是需要連接到示波器進(jìn)行繁瑣的de-skew校準(zhǔn)。合成后的PAM4碼型發(fā)生器指標(biāo)會嚴(yán)重的惡化。

功能的影響：對于PAM4碼型發(fā)生器而言，為了補(bǔ)償高頻衰減，去加重均衡幾乎是必備的需求，在所有的高速串行標(biāo)準(zhǔn)中也都有相應(yīng)的要求。對于用2路NRZ碼型發(fā)生器合成PAM4的方法而言，即便額外選件支持去加重均衡，也沒有一個簡單易行的轉(zhuǎn)換方法把每一路的NRZ輸出的均衡直接轉(zhuǎn)化為PAM4的均衡。 如果實(shí)際應(yīng)用中希望控制PAM4的msb和lsb的均衡，需要連接到具備PAM4測量功能的示波器，進(jìn)行非常繁瑣的校準(zhǔn)。

使用的影響：測試環(huán)境的構(gòu)建上相對比較復(fù)雜，因?yàn)槭紫刃枰?a href="http://www.3532n.com/tags/時鐘/" target="_blank">時鐘合成器配合2路獨(dú)立的NRZ高速碼型發(fā)生器，加上外部的高頻相位匹配電纜和功率合成器等附件，通過一臺傳統(tǒng)的臺式28Gbps的NRZ碼型發(fā)生器要構(gòu)建一個單通道的具備去加重均衡功能的PAM4信號發(fā)生器需要至少2個通道都具備均衡功能，并且需要配合價格不菲的具備PAM4測量功能的高帶寬示波器來進(jìn)行校準(zhǔn)。下圖是一個傳統(tǒng)的2通道NRZ碼型發(fā)生器通過外圍硬件配合產(chǎn)生PAM4的單路輸出功能。

?

2）2路NRZ碼型發(fā)生器有源合成1路PAM4碼型發(fā)生器

除了上面提到的通過無源寬帶合成器產(chǎn)生PAM4輸出以外，還可以基于數(shù)模轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)PAM4信號發(fā)生器。通過2路NRZ碼型發(fā)生器，輸出到一個2位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器中去生成pam4信號。在這種情況下DAC轉(zhuǎn)換器的作用類似于一個PAM4的有源合成器。這種方式是通過有源電路來實(shí)現(xiàn)，一般是一個外部供電的盒子。這種方式對比第一種方式的優(yōu)點(diǎn)是由于是有源電路，輸出帶寬高，上升時間快。但是從構(gòu)架上和第一種方法完全一致，所以上面第一種方法列出的所有限制同樣存在（諸如不支持均衡、需要繁瑣de-skew校準(zhǔn)等）。另外由于是通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器的有源電路實(shí)現(xiàn)，2路NRZ的定時延時控制、每一個msb和lsb的電平控制也需要連接到示波器進(jìn)行額外的外部校準(zhǔn)。

3）基于AWG的PAM4碼型發(fā)生器

通過任意波形發(fā)生器AWG產(chǎn)生PAM4輸出，PAM4信號產(chǎn)生的原理和上述的有源DAC的方式類似，只不過一般情況下AWG是一個內(nèi)置高速DAC的通用的信號源，可以非常靈活的產(chǎn)生各種調(diào)制信號，例如通信用的QAM信號，或者PAM4、PAM8信號。

從性能上而言，AWG產(chǎn)生的PAM4信號并不是實(shí)際高速串行電路的實(shí)現(xiàn)方式，所以在很多信號特性上需要額外的帶寬要求和濾波要求，以達(dá)到高速串行通信的信號產(chǎn)生要求，信號的抖動和噪聲參數(shù)由于是通過DA來產(chǎn)生，會惡化的比較厲害。由于AWG是通過編輯內(nèi)部數(shù)據(jù)序列存儲空間來定義波形的形狀，而沒有和實(shí)際的PAM4編碼完全對應(yīng)，所以針對對于PAM4的信號產(chǎn)生和編碼的設(shè)置非常復(fù)雜，需要大量的內(nèi)存進(jìn)行轉(zhuǎn)換，如果AWG沒有專有的PAM4軟件配合很難使用在PAM4的信號產(chǎn)生應(yīng)用上。

一般基于AWG的PAM4信號產(chǎn)生的設(shè)置都比較復(fù)雜，并且最大的設(shè)置障礙是不直觀，無法直接方便的更改速率和碼型。對于很多實(shí)際應(yīng)用中的發(fā)送均衡等基本要求，通過AWG來產(chǎn)生非常復(fù)雜和繁瑣。從成本上看，因?yàn)锳WG產(chǎn)生的PAM4輸出要求高帶寬和高采樣率，并且專門產(chǎn)生PAM4碼型的軟件配合，相對其他的方式每通道的成本也非常昂貴。 在PAM4作為高速通信編碼的早期，由于沒有其他的方案，基于AWG的PAM4是一個折中的辦法，隨著PAM4設(shè)計日益普及，由于AWG產(chǎn)生的PAM4信號電特性和實(shí)際的高速串行電路有差異，而且基礎(chǔ)硬件和選件的價格昂貴，目前已經(jīng)被逐漸替代。

?

編輯

4）直接PAM4輸出的碼型發(fā)生器

誤碼儀直接內(nèi)置PAM4信號生成器的方法。由于上述3種PAM4的碼型發(fā)生器存在諸多性能、功能的限制以及構(gòu)建測試環(huán)境的復(fù)雜和繁瑣，最新的PAM4誤碼儀采用直接內(nèi)置PAM4信號發(fā)生器的精簡構(gòu)架，其核心是去除各種外部的電纜和校準(zhǔn)，簡化硬件環(huán)境，把時鐘合成器，多通道的NRZ碼型發(fā)生器，以及復(fù)雜的NRZ轉(zhuǎn)換為PAM4的高頻硬件，所有的分離器件直接集成在一個機(jī)身內(nèi)，并且通過內(nèi)置校準(zhǔn)對于不同的速率實(shí)現(xiàn)自動的校準(zhǔn)和補(bǔ)償。

性能上的優(yōu)勢：對于PAM4的信號發(fā)生器而言，因?yàn)闆]有外部的各種無源或者有源設(shè)備以及電纜匹配和衰減導(dǎo)致的信號惡化，可以提供非常好的信號完整性。并且可以針對使用需求無需任何外部器件輕松實(shí)現(xiàn)1通道到多通道的配置。

下圖是中星聯(lián)華科技（北京）有限公司XBERT系列PAM4誤碼儀采用直接PAM4輸出的方式捕獲的56GbpsPAM4眼圖，除了連接方便以外還提供了非常好的信號完整性。

?

下圖是對于同一個通道輸出在28Gbps下的NRZ編碼時的眼圖結(jié)果。

?

功能上特點(diǎn)：直接PAM4輸出的碼型發(fā)生器，可以在不影響信號完整性的情況下輕松實(shí)時的切換PAM4或者NRZ輸出功能，無需使用人員針對PAM4來構(gòu)建繁瑣的校準(zhǔn)環(huán)境。 當(dāng)使用PAM4碼型發(fā)生器功能的時候，用戶無需考慮任何NRZ有關(guān)的設(shè)置，可以直接設(shè)置經(jīng)過校準(zhǔn)的PAM4發(fā)送均衡。對于PAM4碼型發(fā)生器幅度和均衡的控制非常簡單直觀。下圖是一個進(jìn)行實(shí)時PAM4和NRZ實(shí)時切換時捕獲的眼圖疊加顯示效果。

?

由于單臺PAM4碼型發(fā)生器集成了所有必須的關(guān)鍵模塊，對于測試環(huán)境的構(gòu)建和設(shè)置非常簡單。無需外接的均衡器以及有源或者無源的PAM4合成器，更不需要各種高頻電纜連接這些分離原件。

PAM4碼型發(fā)生器特點(diǎn)總結(jié)

?編輯

下面的表格總結(jié)了上述四種PAM4誤碼儀下信號產(chǎn)生的不同方式以及特點(diǎn)。

?

PAM4碼型發(fā)生器

關(guān)鍵指標(biāo)概覽

對于一個PAM4碼型發(fā)生器的差分輸出，一般有幅度、信噪比、線性度、上升時間/下降時間、眼圖、抖動分量以及均衡能力等評估指標(biāo)。在目前主流的各種高速串行總線標(biāo)準(zhǔn)（OIF-CEI, 200G/400G以太網(wǎng)）中，都明確列出了對于發(fā)送端需要滿足的指標(biāo) 其中眼圖和抖動是最重要的指標(biāo)。下面列出了中星聯(lián)華科技（北京）有限公司XBERT系列的PAM4碼型發(fā)生器的輸出指標(biāo)。

?

?

PAM4誤碼儀

文章摘自中星聯(lián)華科技知乎官方賬號

?