你见过这样的眼图么——告诉你什么是PAM4？

PAM4 (4 Pulse Amplitude Modulation) 信号作为下一代数据中心中高速信号互联的热门信号传输技术，被广泛应用于200G/400G接口的电信号或光信号传输。

问题一、什么是PAM4

传统的数字信号最多采用的是NRZ（Non-Return-to-Zero）信号，即采用高、低两种信号电平来表示要传输的数字逻辑信号的1、0信息，每个信号符号周期可以传输1bit的逻辑信息；而PAM信号则可以采用更多的信号电平，从而每个信号符号周期可以传输更多bit的逻辑信息。比如以PAM4信号来说，其采用4个不同的信号电平来进行信号传输，每个符号周期可以表示2个bit的逻辑信息（0、1、2、3）。下图是典型的NRZ信号的波形、眼图与PAM4信号的对比。

NRZ信号眼图                                                                   PAM-4的眼图 

真可谓天下之事，合久必分，分久必合。在数字电路独领风骚的时代，当带宽的发展已经到了极致的时候，利用类似模拟信号进行传输数字信息的手段有效提升了信号的传输速率。

由于PAM4信号每个符号周期可以传输2bit的信息，因此要实现同样的信号传输能力，PAM4信号的符号速率只需要达到NRZ信号的一半即可，因此传输通道对其造成的损耗大大减小。随着未来技术的发展，也不排除采用更多电平的PAM8甚至PAM16信号进行信息传输的可能性。

由于PAM4存在每符号2位，4符号电平和每UI 3眼图，每个符号周期可以传输两倍于NRZ的信息。

其实PAM4信号的概念并不新鲜，比如在最普遍使用的100MBase-T以太网中，就使用3种电平进行信号传输；而在无线通信领域中普遍使用的16QAM调制、32QAM调制、64QAM调制等，也都是采用多电平的基带信号对载波信号进行调制。

PAM4信号为4电平脉冲幅度调制，可以显示比传统数字信号更多的bit逻辑信息，但其实另一方面在PAM4信号设计测试过程中遇到的挑战则尤为严峻：

比如PAM4信号对噪声更敏感，同样的系统噪声，PAM4信号约有9.5dB的信噪比；

比如在PAM4信号有16种切换状态，因此会导致上、下眼图在垂直方向上的不对称，进一步导致在交叉点处和眼高的中间处测得的眼宽并不一样，眼图的非线性问题也较易发生。

比如PAM4信号的虽然降低了信号的符号率，但10dB以上的通道损耗还是会使得接收端信号眼图完全闭合，因此，对于PAM4信号，发送端的预加重和接收端的信号均衡很重要。

比如…………

Keysight拥有PAM-4测试的最完整解决方案：从仿真到测试，从发送端到接收端，从物理层测试到测试结果的大数据分析，精确而快速的表征如 IEEE 802.3bj 所描述的 PAM-4 信号，并满足 OIF-CEI-56G 和 IEEE 400G 等开发标准所列出对未来的 PAM 信号测量需求。

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PAM4 发送端参数测试

PAM4发射机的电气参数测试可以使用实时示波器，也可以使用采样示波器。对于IEEE定义的26.56G Baud信号来说，其电气参数测试建议使用至少33GHz带宽的4阶Bessel-Thomson滤波器频响曲线的示波器。

对于采样示波器来说，由于其频响曲线接近4阶Bessel-Thomson滤波器形状，所以使用33GHz以上带宽的示波器模块即可；

对于实时示波器来说，通常采用砖墙式频响，为了模拟出所需的频响曲线会牺牲一部分带宽，所以建议使用至少50GHz以上带宽的示波器。

下图是可以用于PAM4信号测试的实时示波器及采样示波器。

在发送端测试中，我们需要关注的测试参数有消光比，光调制幅度测试， TDECQ发射机色散代价，线性度测试，抖动测试等。

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PAM4 接收容限和误码率测试

对于PAM4的接收端设备来说，需要验证其对于恶劣信号的容忍程度。所以接收端测试的主要目的就是产生一个精确可控的恶劣信号注入到接收端，然后通过误码率的变化来观测其对于恶劣信号的容忍能力。

下面这张图是OIF CEI 4.0的Draft规范里，定义的对于56G-VSR-PAM-4的Module的接收容限测试方法。在这个测试里，如何产生用户自定义或者PRBS31Q的PAM4信号、如何模拟发送端的预加重、如何注入不同的正弦抖动以及随机抖动、如何模拟通道损耗、如何模拟相邻通道造成的串扰，以及如何对一致性测试点处的信号进行校准和修正，都是巨大的挑战，要求使用的测量设备具备足够高的灵活性和参数调整能力。

为了应对这些挑战，需要使用高性能的、可以支持灵活PAM4信号参数调整的误码仪。在进行接收容限测试时，如果被测件有内部误码计数功能，可以通过内部误码计数读出此时的误码率；如果没有误码计数功能，可以把接收的数据环回后送回给误码仪的误码检测模块，从而直接进行误码率判断。

更复杂的接收端容限测试除了要求线性度容限的测试，还要考虑在有抖动、噪声和码间干扰存在的情况下接收端的接收能力。这就需要使用误码仪的信号发生器产生带有抖动、噪声和码间干扰的信号并注入到接收端，然后通过内部误码计数或者环回的方式来进行误码统计。这种用于注入到接收端进行容限测试的信号通常叫做压力信号（Stress Signal）。

Keysight N4917BSCA 光接收机测试解决方案为光接收机极限测试提供了一个完整、可重复的自动化解决方案。

与依照 IEEE 802.3bs 第 121 条和第 122 条进行手动校准相比，该方案为光极限眼图提供了可重复的校准，能够节省数小时的校准时间。N4917BSCA 解决方案软件能够控制和设置所有必需的仪器，用于校准、接收机灵敏度和抖动容限测试。

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PLTS 物理层信号完整性测试

如今，物理层结构越来越成为高速数字系统性能的瓶颈。在低数据速率时代，互连的电长度较短。信号完整性通常主要与驱动器和接收机相关。但是，当时钟速度、总线速度和链路速度都超过千兆/秒时，物理层表征变得越来越重要。 当前数据设计人员面临的另一项挑战是：数字设计向差分拓扑发展的趋势,他们必须对所有可能的工作模式进行分析，才能对器 件性能有一个全面的了解。

由于综合使用时域和频域分析变得越来越重要，因此对多个测试 系统的管理也变得越来越困难。是德科技的物理层测试系统（PLTS）专为信号完整性分析而设计，既能全面表征差分高速数字器件、又能使分析的域类型和格式满足测试人员 的要求。

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PAM4 信号仿真

随着PAM4的应用越来越多，在之前的ADS版本中已经有bit-by-bit的PAM4通道仿真方法，而在ADS2017的新版本中，更是新增了统计仿真的方式。

在PAM-4信号传输时，诸如抖动、噪声、信道丢失和符号间干扰(ISI)等会对正常传输的内容产生影响。此外，PAM-4的接收器体系结构为系统设计人员引入了很多新的概念，如：具有电压阈值的Slicer输出（用于确定已接收到的幅度电平）；单个Slicer skew，multi-tap反馈均衡，时钟和数据恢复等对真实PAM4设计的影响都需要在仿真设计之时考虑进去。