PAM4碼型發(fā)生器選擇攻略（上篇）

  PAM4碼型發(fā)生器選擇攻略（上篇）  

  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，這帶來了9dB的信噪比惡化。在高速總線傳輸過程中，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(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。

  對(duì)于NRZ信號(hào)而言，只存在一個(gè)上升沿和一個(gè)下降沿。 但是對(duì)于PAM4信號(hào)，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(hào)幅度之間的跳變會(huì)導(dǎo)致眼高和眼寬的惡化，一個(gè)高質(zhì)量的PAM4信號(hào)源在測(cè)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(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，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(hào)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(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(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，也沒有一個(gè)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(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(hào)發(fā)生器。通過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。這種方式是通過有源電路來實(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)。

  (上篇完)

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