Was ist das PAM4-Signal und seine Herausforderungen beim Charakterisierungstest?

Die Verwendung analoger Signale zur Übertragung digitaler Informationen hat die Datenübertragungsrate effektiv erhöht. Bei seriellen Datenraten von 56 Gbit/s pro Kanal und mehr haben Signalbeeinträchtigungen durch erhöhte Bandbreite die Industrie für serielle Hochgeschwindigkeitsdaten dazu veranlasst, PAM4 einzuführen. Allerdings sieht sich dieses Signalcodierungsschema in der praktischen Anwendung auch einer Reihe von Testherausforderungen gegenüber. Dieser kurze Technologieüberblick umreißt die Unterschiede zwischen NRZ- und PAM4-Modulation und analysiert einige Herausforderungen und entsprechende Techniken beim Testen von PAM4-Signalen.

 

Was sind PAM4- und NRZ-Signale?

NRZ (Non-Return-to-Zero), auch bekannt als Pulse Amplitude Modulation 2-Level (PAM2), ist ein traditionelles digitales Signalcodierungsschema. Diese Modulationstechnik hat zwei Spannungspegel, um eine logische 0 und eine logische 1 darzustellen. Jede Signalsymbolperiode kann 1 Bit logische Information übertragen. Dagegen kann das PAM-Signal mehr Spannungssignalpegel verwenden, so dass jede Signalsymbolperiode mehr Bits an Logikinformationen übertragen kann. Zum Beispiel verwendet das PAM4-Signal 4 verschiedene Signalpegel für die Datenübertragung, und jede Symbolperiode kann 2 Bits logische Information darstellen (0, 1, 2, 3). Die folgende Abbildung zeigt den Wellenformunterschied zwischen einem typischen NRZ-Signal und dem PAM4-Signal.

∆ NRZ-Signalfrequenz und PAM4-Signalfrequenzspektrum

PAM-4 gegen NRZ

Da das PAM4-Signal 2 Informationsbits pro Symbolperiode übertragen kann, muss die Symboldatenrate des PAM4-Signals nur die Hälfte des NRZ-Signals erreichen. Dadurch wird der durch den Übertragungskanal verursachte Signalverlust stark reduziert. Es ist möglich, dass mehr Spannungspegel für die Informationsübertragung wie PAM8- oder sogar PAM16-Signale entwickelt werden, da in einer vernetzten Welt mit sofortiger Datenübertragung eine höhere Ethernet-Geschwindigkeit und -Bandbreite erforderlich ist. PAM4 hat 2 Bits pro Symbol, 4 Symbolebenen und 3 Augenmuster pro UI; jede Symbolperiode kann doppelt so viele Informationen übertragen wie NRZ.

Δ Augendiagramm von 10G NRZ, 25G NRZ und 56G PAM-4

 

PAM4 ist nicht die neueste Signalmodulationstechnik, da im am häufigsten verwendeten 3MBase-T-Ethernet 100 Spannungspegel für die Signalübertragung verwendet werden. Außerdem verwenden 16QAM-Modulation, 32QAM-Modulation und 64QAM-Modulation, die auf dem Gebiet der drahtlosen Kommunikation angewendet werden, alle mehrstufige Basisbandsignale, um das Trägersignal zu modulieren. Als beliebte Signalkodierungs- und Übertragungstechnologie für die Hochgeschwindigkeits-Signalverbindung in Rechenzentren der nächsten Generation wurde PAM4 bei der Übertragung von elektrischen oder optischen Signalen weiter verwendet 100G QSFP28 und 200G sogar 400G-Schnittstellen.

Herausforderungen bei der Analyse des PAM4-Signals

PAM4 ist eine 4-stufige Pulsamplituden-Signalmodulationstechnik, die mehr Bit-Logikinformationen anzeigen kann als herkömmliche Digitalsignale. Es ist jedoch eine Herausforderung, PAM4-Signale zu entwerfen und zu testen. Beispielsweise hat das PAM4-Signal ein schlechteres Signal-Rausch-Verhältnis (SNR), das unter denselben Bedingungen von Systemrauschen 9.5 dB erreichen kann.

Außerdem gibt es im PAM16-Signal 4 Schaltzustände, die die vertikale Asymmetrie des oberen und unteren Augendiagramms verursachen. Außerdem neigt die am Schnittpunkt und in der Mitte der Augenhöhe gemessene Augenweite dazu, unterschiedlich zu sein. Auch nichtlineare Probleme treten häufiger auf.

Δ Flussdiagramm der Ethernet-PAM4-Signalerzeugung und -prüfung

 

Obwohl die Symbolrate des PAM4-Signals reduziert wird, führt der Kanalverlust von 10 dB oder mehr immer noch zu einem vollständigen Schließen im Signalaugendiagramm des Empfängers. Daher sind Preemphasis auf der Sendeseite und die Signalentzerrung auf der Empfangsseite zwei wichtige Faktoren in Bezug auf PAM4-Signaldesign und -test.

 

Testherausforderungen für PAM4-Sender

Bei Sendern, die auf PAM4 basieren, gibt es einige wichtige Testparameter, darunter Extinktionsverhältnis, optische Modulationsamplitude, TWDP (Sender-Wellenlängen-Dispersionspreis), Senderlinearität und Jitter.

Die elektrischen Parameter des PAM4-Senders können mit einem Echtzeit-Oszilloskop oder einem Sampling-Oszilloskop gemessen werden. Für das von IEEE definierte 26.56-G-Baud-Signal wird empfohlen, ein Oszilloskop mit einer Bandbreite von mindestens 33 GHz zum Testen der elektrischen Parameter zu verwenden. Ein solches Oszilloskop ist mit einer Frequenzgangkurve eines Bessel-Thomson-Filters vierter Ordnung ausgelegt.

Δ Oszilloskope für Pulsamplitudenmodulation (PAM-4) Senderanalyse

 

Ein Sampling-Oszilloskop benötigt nur ein Oszilloskop-Modul mit einer Bandbreite von 33 GHz oder mehr, da seine Frequenzgangkurve der Form des Bessel-Thomson-Filters vierter Ordnung ähnelt. Ein Echtzeit-Oszilloskop wendet jedoch normalerweise einen Backsteinmauer-Frequenzgang an. Daher wird empfohlen, dass ein Oszilloskopmodul eine Bandbreite von mindestens 50 GHz annimmt, um die erforderliche Frequenzgangkurve zu simulieren.

 

Interferenztoleranz des PAM4-Empfängers

Bei PAM4-Empfängergeräten ist die Interferenztoleranz (Toleranz gegenüber harten Signalen) eine der entscheidenden Senderspezifikationen. Der Zweck des PAM4-Empfängertests besteht darin, ein genaues, aber beherrschbares defektes Signal in das Empfangsende einzubringen. Somit kann die Interferenztoleranz gemäß der Variation des Bitfehlerverhältnisses (BER) gemessen werden.

 

OIF CEI 4.0 Testmuster für PAM4

Die folgenden Grafiken definieren die Interferenztoleranztestmethode des 56G-VSR-PAM-4-Moduls in der OIF CEI 4.0 Draft-Spezifikation. Bei dieser Methodik müssen die Messgeräte eine ausreichende Flexibilität und Parameteranpassungsfähigkeit aufweisen. 

Δ Testmuster für 56G-VSR-PAM-4-Modul Tx und Rx

 

In diesem Fall stellt dieser Spezifikationstestaufbau in vielerlei Hinsicht Herausforderungen dar. Zum Beispiel müssen Sie darüber nachdenken, wie Sie selbstadaptive oder PRBS31Q-PAM4-codierte Signale erzeugen; wie man die Vorverzerrung am Sender simuliert. Da deterministischer Jitter im Vergleich zu zufälligem Jitter vorhersagbar ist, müssen Sie auch herausfinden, wie Sie Ihren Sender und Empfänger konstruieren, um ihn zu eliminieren. Darüber hinaus sind Themen wie die Simulation von Kanaleinfügungsdämpfung, die Simulation von Kommunikationsmanipulationen durch benachbarte Kanäle und die Kalibrierung und Korrektur des Signals beim Konformitätstest große Herausforderungen bei dieser Testmethodik.

 

Bit Error Ratio (BER) Tester für PAM4 Signal

Ein leistungsstarker Bitfehlerratentester, der die flexible Parametereinstellung für die Pulsamplitudenmodulation unterstützen kann, ist ein effektiver Ansatz, um die oben genannten Herausforderungen zu bewältigen. Wenn ein DUT (Device Under Test) intern über eine Vorwärtsfehlerkorrekturfunktion verfügt, kann die Bitfehlerrate (BER) in diesem internen Tester gemessen werden. Wenn nicht, können die empfangenen Daten zurückgeschleift und an das Fehlererkennungsmodul des Bitfehlertesters übertragen werden. Somit kann die Bitfehlerrate endgültig bestimmt werden.

 

Neben der Linearitäts-Störtoleranz sind die Empfangseigenschaften ein weiterer wichtiger PAM4-Senderparameter. Aber es ist auch schwierig zu definieren, wann Jitter, Signalrauschen und ISI (Intersymbol-Interferenz) vorhanden sind. Glücklicherweise kann ein Signalgenerator in einem Fehlerdetektor (oder BER-Tester) zur Erzeugung von Signalen mit Jitter, Rauschen und Störungen zwischen Symbolen einen Unterschied machen. Solche Signale werden in den Sender eingespeist und die Bitfehlerrate (BER) kann durch die interne Fehlerzählung oder die Mittel der Datenschleife getestet werden. Diese Art von Signal, das zum Einspeisen in das Empfangsende für den Margentest verwendet wird, wird normalerweise als Stresssignal bezeichnet.

Δ Hochgeschwindigkeits-PAM4-Signal-BER-Messlösung

 

Im Vergleich zu Rule 121 und Rule 122 in IEEE 802.3bs bietet diese Methodik eine sich wiederholende Fehlerkorrektur für das optische Grenzaugendiagramm, wodurch Stunden an Kalibrierungszeit eingespart werden. Während die N4917BSCA-Software alle erforderlichen Instrumente für Kalibrierung, Empfängerempfindlichkeit und Jittertoleranzprüfung steuern und einrichten kann.

 

PAM4 PLTS Signalintegritätstest

PLTS (Physical Layer Test System) wird zu einem Engpass bei seriellen Hochgeschwindigkeitsverbindungssystemen. In Zeiten von Netzwerken mit niedriger Datenrate ist die Länge der Verbindungsspannungsebene relativ kurz. Die Signalintegrität bezieht sich hauptsächlich auf Treiber und Empfänger.

Δ N4917BSCA für Stresssignaltest des optischen Empfängers

Wenn die Taktwiederherstellungsgeschwindigkeit, die Busgeschwindigkeit und die Verbindungsgeschwindigkeit alle Gigabit pro Sekunde überschreiten, spielt die Eigenschaft der physikalischen Schicht eine immer wichtigere Rolle in einer PAM4-Signalverbindungssimulation. Eine weitere Herausforderung für Datendesign-Ingenieure ist derzeit der Trend des digitalen Designs zur differentiellen Topologie, da sie alle möglichen Betriebsmodi analysieren müssen, um ein umfassendes Verständnis der Geräteleistung zu erhalten. Da die kombinierte Analyse von Zeitbereichs- und Frequenzbereichsanalyse immer wichtiger wird, wird die Verwaltung mehrerer Testsysteme immer schwieriger.

 

Fazit

Die PAM4-Technologie kann die Effizienz der Bandbreitennutzung effektiv verbessern. Außerdem verwendet PAM4 ein Modulationsformat höherer Ordnung, das die Anzahl der verwendeten optischen Geräte, die Leistung, die Kosten und den Stromverbrauch in verschiedenen Anwendungen reduziert. Mit dem Aufkommen von Big Data und Cloud Computing sowie dem wachsenden Datenverkehr wird dringend eine komplexere Modulationstechnik benötigt. Daher wird PAM4 zu einer entscheidenden Signalmodulationstechnik im Hyperscale-Rechenzentrumsdienst, die bei der Übertragung elektrischer oder optischer Signale auf 200G/400G-Schnittstellen weit verbreitet ist.

 

FiberMall bietet eine 100G-QSFP28-PAM4-Single-Lambda-Glasfaser-Transceiver-Serie, die für den Einsatz in 100-Gigabit-Ethernet entwickelt wurde.  Da sich der Markt auf PAM4-basierte Modulation umstellt, FiberMall überwindet weiterhin die technischen Schwierigkeiten und bewegt sich auf 200G- und 400G-PAM4-Verbindungslösungen in der Welt der optischen Kommunikation.