PAM4碼型發(fā)生器選擇攻略（全篇）

    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(guò)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(duì)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(gè)symbol或者每一個(gè)UI傳輸2個(gè)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(lái)了9dB的信噪比惡化。在高速總線傳輸過(guò)程中，抖動(dòng)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(duì)比NRZ和PAM4，PAM4利用了四電平的調(diào)制方式，通過(guò)犧牲信噪比來(lái)?yè)Q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(shí)、信噪比的對(duì)比。

    由于PAM4的信號(hào)是多電平，對(duì)于測(cè)試測(cè)量而言是一個(gè)挑戰(zhàn)，下面是一個(gè)PAM4的眼圖的示例。

    PAM4碼型產(chǎn)生的四種方法

    傳統(tǒng)的PAM4誤碼儀分為PAM4信號(hào)發(fā)生器PPG和PAM4信號(hào)誤碼比較接收器ED兩個(gè)部分。對(duì)于PAM4信號(hào)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(hào)。(由于文章篇幅太長(zhǎng)，此處上篇列舉兩種方法，下篇更多精彩正在來(lái)的路上!)

    1)2路NRZ碼型發(fā)生器無(wú)源合成1路PAM4碼型發(fā)生器

    早期的誤碼儀都是通過(guò)2路NRZ高速碼型發(fā)生器輸出信號(hào)后，經(jīng)過(guò)無(wú)源的射頻器件(即通過(guò)衰減器和合成器)來(lái)合并成一路PAM4信號(hào)，PAM4應(yīng)用出現(xiàn)早期到目前主流的PAM4信號(hào)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(hào)，通過(guò)高頻電纜連接到外部的無(wú)源寬帶合成器，調(diào)節(jié)兩路信號(hào)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(hào)合并為一路四電平的PAM4信號(hào)。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(gè)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(hào)衰減，性能不可避免的會(huì)受到影響，例如抖動(dòng)、上升時(shí)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(huì)嚴(yán)重的惡化。

    功能的影響：對(duì)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(duì)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(méi)有一個(gè)簡(jiǎn)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(cè)量功能的示波器，進(jìn)行非常繁瑣的校準(zhǔn)。

    使用的影響：測(cè)試環(huán)境的構(gòu)建上相對(duì)比較復(fù)雜，因?yàn)槭紫刃枰獣r(shí)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(guò)一臺(tái)傳統(tǒng)的臺(tái)式28Gbps的NRZ碼型發(fā)生器要構(gòu)建一個(gè)單通道的具備去加重均衡功能的PAM4信號(hào)發(fā)生器需要至少2個(gè)通道都具備均衡功能，并且需要配合價(jià)格不菲的具備PAM4測(cè)量功能的高帶寬示波器來(lái)進(jìn)行校準(zhǔn)。下圖是一個(gè)傳統(tǒng)的2通道NRZ碼型發(fā)生器通過(guò)外圍硬件配合產(chǎn)生PAM4的單路輸出功能。

    1)2路NRZ碼型發(fā)生器無(wú)源合成1路PAM4碼型發(fā)生器

    除了上面提到的通過(guò)無(wú)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(hào)發(fā)生器。通過(guò)2路NRZ碼型發(fā)生器，輸出到一個(gè)2位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器中去生成pam4信號(hào)。在這種情況下DAC轉(zhuǎn)換器的作用類似于一個(gè)PAM4的有源合成器。這種方式是通過(guò)有源電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，一般是一個(gè)外部供電的盒子。這種方式對(duì)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(shí)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(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器的有源電路實(shí)現(xiàn)，2路NRZ的定時(shí)延時(shí)控制、每一個(gè)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(guò)任意波形發(fā)生器AWG產(chǎn)生PAM4輸出，PAM4信號(hào)產(chǎn)生的原理和上述的有源DAC的方式類似，只不過(guò)一般情況下AWG是一個(gè)內(nèi)置高速DAC的通用的信號(hào)源，可以非常靈活的產(chǎn)生各種調(diào)制信號(hào)，例如通信用的QAM信號(hào)，或者PAM4、PAM8信號(hào)。

    從性能上而言，AWG產(chǎn)生的PAM4信號(hào)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(hào)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(hào)產(chǎn)生要求，信號(hào)的抖動(dòng)和噪聲參數(shù)由于是通過(guò)DA來(lái)產(chǎn)生，會(huì)惡化的比較厲害。由于AWG是通過(guò)編輯內(nèi)部數(shù)據(jù)序列存儲(chǔ)空間來(lái)定義波形的形狀，而沒(méi)有和實(shí)際的PAM4編碼完全對(duì)應(yīng)，所以針對(duì)對(duì)于PAM4的信號(hào)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(méi)有專有的PAM4軟件配合很難使用在PAM4的信號(hào)產(chǎn)生應(yīng)用上。

    一般基于AWG的PAM4信號(hào)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(wú)法直接方便的更改速率和碼型。對(duì)于很多實(shí)際應(yīng)用中的發(fā)送均衡等基本要求，通過(guò)AWG來(lái)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(mén)產(chǎn)生PAM4碼型的軟件配合，相對(duì)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(méi)有其他的方案，基于AWG的PAM4是一個(gè)折中的辦法，隨著PAM4設(shè)計(jì)日益普及，由于AWG產(chǎn)生的PAM4信號(hào)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(jià)格昂貴，目前已經(jīng)被逐漸替代。

    4)直接PAM4輸出的碼型發(fā)生器

    誤碼儀直接內(nèi)置PAM4信號(hào)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(cè)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(hào)發(fā)生器的精簡(jiǎn)構(gòu)架，其核心是去除各種外部的電纜和校準(zhǔn)，簡(jiǎn)化硬件環(huán)境，把時(shí)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(gè)機(jī)身內(nèi)，并且通過(guò)內(nèi)置校準(zhǔn)對(duì)于不同的速率實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的校準(zhǔn)和補(bǔ)償。

    性能上的優(yōu)勢(shì)：對(duì)于PAM4的信號(hào)發(fā)生器而言，因?yàn)闆](méi)有外部的各種無(wú)源或者有源設(shè)備以及電纜匹配和衰減導(dǎo)致的信號(hào)惡化，可以提供非常好的信號(hào)完整性。并且可以針對(duì)使用需求無(wú)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SL3120A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(hào)完整性。

    下圖是對(duì)于同一個(gè)通道輸出在28Gbps下的NRZ編碼時(shí)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(hào)完整性的情況下輕松實(shí)時(shí)的切換PAM4或者NRZ輸出功能，無(wú)需使用人員針對(duì)PAM4來(lái)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(shí)候，用戶無(wú)需考慮任何NRZ有關(guān)的設(shè)置，可以直接設(shè)置經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的PAM4發(fā)送均衡。對(duì)于PAM4碼型發(fā)生器幅度和均衡的控制非常簡(jiǎn)單直觀。下圖是一個(gè)進(jìn)行實(shí)時(shí)PAM4和NRZ實(shí)時(shí)切換時(shí)捕獲的眼圖疊加顯示效果。

    由于單臺(tái)PAM4碼型發(fā)生器集成了所有必須的關(guān)鍵模塊，對(duì)于測(cè)試環(huán)境的構(gòu)建和設(shè)置非常簡(jiǎn)單。無(wú)需外接的均衡器以及有源或者無(wú)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)

    下面的表格總結(jié)了上述四種PAM4誤碼儀下信號(hào)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(duì)于一個(gè)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(shí)間/下降時(shí)間、眼圖、抖動(dòng)分量以及均衡能力等評(píng)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(duì)于發(fā)送端需要滿足的指標(biāo) 其中眼圖和抖動(dòng)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SL3120A系列的PAM4碼型發(fā)生器的輸出指標(biāo)。

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