PAM4 (4 Pulse Amplitude Modulation) 信號作為下一代數(shù)據(jù)中心中高速信號互聯(lián)的熱門信號傳輸技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于200G/400G接口的電信號或光信號傳輸。

問題一、什么是PAM4

傳統(tǒng)的數(shù)字信號最多采用的是NRZ（Non-Return-to-Zero）信號，即采用高、低兩種信號電平來表示要傳輸?shù)臄?shù)字邏輯信號的1、0信息，每個信號符號周期可以傳輸1bit的邏輯信息；而PAM信號則可以采用更多的信號電平，從而每個信號符號周期可以傳輸更多bit的邏輯信息。比如以PAM4信號來說，其采用4個不同的信號電平來進(jìn)行信號傳輸，每個符號周期可以表示2個bit的邏輯信息（0、1、2、3）。下圖是典型的NRZ信號的波形、眼圖與PAM4信號的對比。

NRZ信號眼圖 PAM-4的眼圖

真可謂天下之事，合久必分，分久必合。在數(shù)字電路獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷的時代，當(dāng)帶寬的發(fā)展已經(jīng)到了極致的時候，利用類似模擬信號進(jìn)行傳輸數(shù)字信息的手段有效提升了信號的傳輸速率。

由于PAM4信號每個符號周期可以傳輸2bit的信息，因此要實(shí)現(xiàn)同樣的信號傳輸能力，PAM4信號的符號速率只需要達(dá)到NRZ信號的一半即可，因此傳輸通道對其造成的損耗大大減小。隨著未來技術(shù)的發(fā)展，也不排除采用更多電平的PAM8甚至PAM16信號進(jìn)行信息傳輸?shù)目赡苄浴?/p>

由于PAM4存在每符號2位，4符號電平和每UI 3眼圖，每個符號周期可以傳輸兩倍于NRZ的信息。

其實(shí)PAM4信號的概念并不新鮮，比如在最普遍使用的100MBase-T以太網(wǎng)中，就使用3種電平進(jìn)行信號傳輸；而在無線通信領(lǐng)域中普遍使用的16QAM調(diào)制、32QAM調(diào)制、64QAM調(diào)制等，也都是采用多電平的基帶信號對載波信號進(jìn)行調(diào)制。

PAM4信號為4電平脈沖幅度調(diào)制，可以顯示比傳統(tǒng)數(shù)字信號更多的bit邏輯信息，但其實(shí)另一方面在PAM4信號設(shè)計測試過程中遇到的挑戰(zhàn)則尤為嚴(yán)峻：

比如PAM4信號對噪聲更敏感，同樣的系統(tǒng)噪聲，PAM4信號約有9.5dB的信噪比；

比如在PAM4信號有16種切換狀態(tài)，因此會導(dǎo)致上、下眼圖在垂直方向上的不對稱，進(jìn)一步導(dǎo)致在交叉點(diǎn)處和眼高的中間處測得的眼寬并不一樣，眼圖的非線性問題也較易發(fā)生。

比如PAM4信號的雖然降低了信號的符號率，但10dB以上的通道損耗還是會使得接收端信號眼圖完全閉合，因此，對于PAM4信號，發(fā)送端的預(yù)加重和接收端的信號均衡很重要。

比如…………

Keysight擁有PAM-4測試的最完整解決方案：從仿真到測試，從發(fā)送端到接收端，從物理層測試到測試結(jié)果的大數(shù)據(jù)分析，精確而快速的表征如 IEEE 802.3bj 所描述的 PAM-4 信號，并滿足 OIF-CEI-56G 和 IEEE 400G 等開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)所列出對未來的 PAM 信號測量需求。

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PAM4 發(fā)送端參數(shù)測試

PAM4發(fā)射機(jī)的電氣參數(shù)測試可以使用實(shí)時示波器，也可以使用采樣示波器。對于IEEE定義的26.56G Baud信號來說，其電氣參數(shù)測試建議使用至少33GHz帶寬的4階Bessel-Thomson濾波器頻響曲線的示波器。

對于采樣示波器來說，由于其頻響曲線接近4階Bessel-Thomson濾波器形狀，所以使用33GHz以上帶寬的示波器模塊即可；

對于實(shí)時示波器來說，通常采用磚墻式頻響，為了模擬出所需的頻響曲線會犧牲一部分帶寬，所以建議使用至少50GHz以上帶寬的示波器。

下圖是可以用于PAM4信號測試的實(shí)時示波器及采樣示波器。

在發(fā)送端測試中，我們需要關(guān)注的測試參數(shù)有消光比，光調(diào)制幅度測試， TDECQ發(fā)射機(jī)色散代價，線性度測試，抖動測試等。

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PAM4 接收容限和誤碼率測試

對于PAM4的接收端設(shè)備來說，需要驗證其對于惡劣信號的容忍程度。所以接收端測試的主要目的就是產(chǎn)生一個精確可控的惡劣信號注入到接收端，然后通過誤碼率的變化來觀測其對于惡劣信號的容忍能力。

下面這張圖是OIF CEI 4.0的Draft規(guī)范里，定義的對于56G-VSR-PAM-4的Module的接收容限測試方法。在這個測試?yán)?，如何產(chǎn)生用戶自定義或者PRBS31Q的PAM4信號、如何模擬發(fā)送端的預(yù)加重、如何注入不同的正弦抖動以及隨機(jī)抖動、如何模擬通道損耗、如何模擬相鄰?fù)ǖ涝斐傻拇當(dāng)_，以及如何對一致性測試點(diǎn)處的信號進(jìn)行校準(zhǔn)和修正，都是巨大的挑戰(zhàn)，要求使用的測量設(shè)備具備足夠高的靈活性和參數(shù)調(diào)整能力。

為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，需要使用高性能的、可以支持靈活PAM4信號參數(shù)調(diào)整的誤碼儀。在進(jìn)行接收容限測試時，如果被測件有內(nèi)部誤碼計數(shù)功能，可以通過內(nèi)部誤碼計數(shù)讀出此時的誤碼率；如果沒有誤碼計數(shù)功能，可以把接收的數(shù)據(jù)環(huán)回后送回給誤碼儀的誤碼檢測模塊，從而直接進(jìn)行誤碼率判斷。

更復(fù)雜的接收端容限測試除了要求線性度容限的測試，還要考慮在有抖動、噪聲和碼間干擾存在的情況下接收端的接收能力。這就需要使用誤碼儀的信號發(fā)生器產(chǎn)生帶有抖動、噪聲和碼間干擾的信號并注入到接收端，然后通過內(nèi)部誤碼計數(shù)或者環(huán)回的方式來進(jìn)行誤碼統(tǒng)計。這種用于注入到接收端進(jìn)行容限測試的信號通常叫做壓力信號（Stress Signal）。

Keysight N4917BSCA 光接收機(jī)測試解決方案為光接收機(jī)極限測試提供了一個完整、可重復(fù)的自動化解決方案。

與依照 IEEE 802.3bs 第 121 條和第 122 條進(jìn)行手動校準(zhǔn)相比，該方案為光極限眼圖提供了可重復(fù)的校準(zhǔn)，能夠節(jié)省數(shù)小時的校準(zhǔn)時間。N4917BSCA 解決方案軟件能夠控制和設(shè)置所有必需的儀器，用于校準(zhǔn)、接收機(jī)靈敏度和抖動容限測試。

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PLTS 物理層信號完整性測試

如今，物理層結(jié)構(gòu)越來越成為高速數(shù)字系統(tǒng)性能的瓶頸。在低數(shù)據(jù)速率時代，互連的電長度較短。信號完整性通常主要與驅(qū)動器和接收機(jī)相關(guān)。但是，當(dāng)時鐘速度、總線速度和鏈路速度都超過千兆/秒時，物理層表征變得越來越重要。 當(dāng)前數(shù)據(jù)設(shè)計人員面臨的另一項挑戰(zhàn)是：數(shù)字設(shè)計向差分拓?fù)浒l(fā)展的趨勢,他們必須對所有可能的工作模式進(jìn)行分析，才能對器 件性能有一個全面的了解。

由于綜合使用時域和頻域分析變得越來越重要，因此對多個測試 系統(tǒng)的管理也變得越來越困難。是德科技的物理層測試系統(tǒng)（PLTS）專為信號完整性分析而設(shè)計，既能全面表征差分高速數(shù)字器件、又能使分析的域類型和格式滿足測試人員 的要求。

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PAM4 信號仿真

隨著PAM4的應(yīng)用越來越多，在之前的ADS版本中已經(jīng)有bit-by-bit的PAM4通道仿真方法，而在ADS2017的新版本中，更是新增了統(tǒng)計仿真的方式。

在PAM-4信號傳輸時，諸如抖動、噪聲、信道丟失和符號間干擾(ISI)等會對正常傳輸?shù)膬?nèi)容產(chǎn)生影響。此外，PAM-4的接收器體系結(jié)構(gòu)為系統(tǒng)設(shè)計人員引入了很多新的概念，如：具有電壓閾值的Slicer輸出（用于確定已接收到的幅度電平）；單個Slicer skew，multi-tap反饋均衡，時鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)等對真實(shí)PAM4設(shè)計的影響都需要在仿真設(shè)計之時考慮進(jìn)去。