PAM4码型发生器选择攻略

中星联华科技（北京）有限公司 2023-02-01 2955

描述

引言

随着数据中心，高速光通信和电信数据网络的发展，采用NRZ编码的高速串行数据速率从传统的10Gbps每通道不断升级到32Gbps每通道。由于数据吞吐量爆发式增长，需要更高的单通道数据通信速率，编码方式也从传统的NRZ编码转变为了PAM4编码，在PAM4编码模式的支持下，每一路速率可以直接支持到56Gbps到112Gbps。

在最新的高速光模块接口和电模块接口标准中，200G和400G的以太网标准都是采用PAM4编码，同时内置了各种高级诊断的功能。同样在消费电子类的产品中，也出现了PCIE Gen3/4、USB3.0/3.1、Thunderbolt、 SATA等各种高速总线，速率范围可以从2.5Gbps一直到32Gbps。针对PAM4的高速测试要求，PAM4码型发生器正成为高速误码测试的基本组成部分。由于PAM4的信号产生有多种实现方式，下面就当前主流的PAM4码型发生器进行比较。

PAM4概览

PAM4作为新出现的高速串行总线编码模式，在几乎所有超过50Gbps的标准中都存在。由于在同等速率的情况下带宽的要求是NRZ的一半，对于绝大多数的高速电缆、背板以及连接器而言，使用PAM4编码可以在速率翻倍的情况下具备同样的奈奎斯特频率。

由于每一个symbol或者每一个UI传输2个比特的数据，那么在同样的输出幅度的情况下，需要区分4种不同的电平，这带来了9dB的信噪比恶化。在高速总线传输过程中，抖动和噪声是影响误码率的最关键指标，信噪比恶化意味着误码率的提升。所以在相同速率的情况下对比NRZ和PAM4，PAM4利用了四电平的调制方式，通过牺牲信噪比来换取奈奎斯特频率的减半。下图是NRZ和PAM4 这两种编码模式下的带宽、速率、定时、信噪比的对比。

由于PAM4的信号是多电平，对于测试测量而言是一个挑战，下面是一个PAM4的眼图的示例。

对于NRZ信号而言，只存在一个上升沿和一个下降沿。但是对于PAM4信号，跳变发生在LEVEL0、LEVEL1、LEVEL2、LEVEL3之间的一共12种跳变。而由于这些多重信号幅度之间的跳变会导致眼高和眼宽的恶化，一个高质量的PAM4信号源在测试中至关重要。

PAM4码型产生的四种方法

传统的PAM4误码仪分为PAM4信号发生器PPG和PAM4信号误码比较接收器ED两个部分。对于PAM4信号发生器而言，目前有4种比较流行的方法产生PAM4输出信号。（由于文章篇幅太长，此处上篇列举两种方法，下篇更多精彩正在来的路上！）

1）2路NRZ码型发生器无源合成1路PAM4码型发生器

早期的误码仪都是通过2路NRZ高速码型发生器输出信号后，经过无源的射频器件（即通过衰减器和合成器）来合并成一路PAM4信号，PAM4应用出现早期到目前主流的PAM4信号发生器都是延用这种方式。

该方法具体实现是依靠NRZ码型发生器输出2路码速率完全一致的NRZ信号，通过高频电缆连接到外部的无源宽带合成器，调节两路信号的相位，使之初始相位完全相同，再调节衰减器，其中一路的幅度为满幅度（作为PAM4 的msb），另一路为半幅度（作为PAM4的lsb），合成后即可将2路双电平的NRZ的信号合并为一路四电平的PAM4信号。从构架上看，它其实是2路NRZ的码型发生器合并而成，不可避免的存在一些限制。下图是一个双通道的NRZ码型发生器产生PAM4的图例。

性能的影响：2路NRZ输出接到宽带功率合成器后，由于信号衰减，性能不可避免的会受到影响，例如抖动、上升时间、由于线性度不好导致的额外噪声。在不同的速率下，为了保证2路NRZ输出初始相位一致，每次总是需要连接到示波器进行繁琐的de-skew校准。合成后的PAM4码型发生器指标会严重的恶化。

功能的影响：对于PAM4码型发生器而言，为了补偿高频衰减，去加重均衡几乎是必备的需求，在所有的高速串行标准中也都有相应的要求。对于用2路NRZ码型发生器合成PAM4的方法而言，即便额外选件支持去加重均衡，也没有一个简单易行的转换方法把每一路的NRZ输出的均衡直接转化为PAM4的均衡。如果实际应用中希望控制PAM4的msb和lsb的均衡，需要连接到具备PAM4测量功能的示波器，进行非常繁琐的校准。

使用的影响：测试环境的构建上相对比较复杂，因为首先需要时钟合成器配合2路独立的NRZ高速码型发生器，加上外部的高频相位匹配电缆和功率合成器等附件，通过一台传统的台式28Gbps的NRZ码型发生器要构建一个单通道的具备去加重均衡功能的PAM4信号发生器需要至少2个通道都具备均衡功能，并且需要配合价格不菲的具备PAM4测量功能的高带宽示波器来进行校准。下图是一个传统的2通道NRZ码型发生器通过外围硬件配合产生PAM4的单路输出功能。

2）2路NRZ码型发生器有源合成1路PAM4码型发生器

除了上面提到的通过无源宽带合成器产生PAM4输出以外，还可以基于数模转换器实现PAM4信号发生器。通过2路NRZ码型发生器，输出到一个2位的数模转换器中去生成pam4信号。在这种情况下DAC转换器的作用类似于一个PAM4的有源合成器。这种方式是通过有源电路来实现，一般是一个外部供电的盒子。这种方式对比第一种方式的优点是由于是有源电路，输出带宽高，上升时间快。但是从构架上和第一种方法完全一致，所以上面第一种方法列出的所有限制同样存在（诸如不支持均衡、需要繁琐de-skew校准等）。另外由于是通过数模转换器的有源电路实现，2路NRZ的定时延时控制、每一个msb和lsb的电平控制也需要连接到示波器进行额外的外部校准。

3）基于AWG的PAM4码型发生器

通过任意波形发生器AWG产生PAM4输出，PAM4信号产生的原理和上述的有源DAC的方式类似，只不过一般情况下AWG是一个内置高速DAC的通用的信号源，可以非常灵活的产生各种调制信号，例如通信用的QAM信号，或者PAM4、PAM8信号。

从性能上而言，AWG产生的PAM4信号并不是实际高速串行电路的实现方式，所以在很多信号特性上需要额外的带宽要求和滤波要求，以达到高速串行通信的信号产生要求，信号的抖动和噪声参数由于是通过DA来产生，会恶化的比较厉害。由于AWG是通过编辑内部数据序列存储空间来定义波形的形状，而没有和实际的PAM4编码完全对应，所以针对对于PAM4的信号产生和编码的设置非常复杂，需要大量的内存进行转换，如果AWG没有专有的PAM4软件配合很难使用在PAM4的信号产生应用上。

一般基于AWG的PAM4信号产生的设置都比较复杂，并且最大的设置障碍是不直观，无法直接方便的更改速率和码型。对于很多实际应用中的发送均衡等基本要求，通过AWG来产生非常复杂和繁琐。从成本上看，因为AWG产生的PAM4输出要求高带宽和高采样率，并且专门产生PAM4码型的软件配合，相对其他的方式每通道的成本也非常昂贵。在PAM4作为高速通信编码的早期，由于没有其他的方案，基于AWG的PAM4是一个折中的办法，随着PAM4设计日益普及，由于AWG产生的PAM4信号电特性和实际的高速串行电路有差异，而且基础硬件和选件的价格昂贵，目前已经被逐渐替代。

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4）直接PAM4输出的码型发生器

误码仪直接内置PAM4信号生成器的方法。由于上述3种PAM4的码型发生器存在诸多性能、功能的限制以及构建测试环境的复杂和繁琐，最新的PAM4误码仪采用直接内置PAM4信号发生器的精简构架，其核心是去除各种外部的电缆和校准，简化硬件环境，把时钟合成器，多通道的NRZ码型发生器，以及复杂的NRZ转换为PAM4的高频硬件，所有的分离器件直接集成在一个机身内，并且通过内置校准对于不同的速率实现自动的校准和补偿。

性能上的优势：对于PAM4的信号发生器而言，因为没有外部的各种无源或者有源设备以及电缆匹配和衰减导致的信号恶化，可以提供非常好的信号完整性。并且可以针对使用需求无需任何外部器件轻松实现1通道到多通道的配置。

下图是中星联华科技（北京）有限公司XBERT系列PAM4误码仪采用直接PAM4输出的方式捕获的56GbpsPAM4眼图，除了连接方便以外还提供了非常好的信号完整性。

下图是对于同一个通道输出在28Gbps下的NRZ编码时的眼图结果。

功能上特点：直接PAM4输出的码型发生器，可以在不影响信号完整性的情况下轻松实时的切换PAM4或者NRZ输出功能，无需使用人员针对PAM4来构建繁琐的校准环境。当使用PAM4码型发生器功能的时候，用户无需考虑任何NRZ有关的设置，可以直接设置经过校准的PAM4发送均衡。对于PAM4码型发生器幅度和均衡的控制非常简单直观。下图是一个进行实时PAM4和NRZ实时切换时捕获的眼图叠加显示效果。

由于单台PAM4码型发生器集成了所有必须的关键模块，对于测试环境的构建和设置非常简单。无需外接的均衡器以及有源或者无源的PAM4合成器，更不需要各种高频电缆连接这些分离原件。

PAM4码型发生器特点总结

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下面的表格总结了上述四种PAM4误码仪下信号产生的不同方式以及特点。

PAM4码型发生器

关键指标概览

对于一个PAM4码型发生器的差分输出，一般有幅度、信噪比、线性度、上升时间/下降时间、眼图、抖动分量以及均衡能力等评估指标。在目前主流的各种高速串行总线标准（OIF-CEI, 200G/400G以太网）中，都明确列出了对于发送端需要满足的指标其中眼图和抖动是最重要的指标。下面列出了中星联华科技（北京）有限公司XBERT系列的PAM4码型发生器的输出指标。

PAM4误码仪

文章摘自中星联华科技知乎官方账号

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