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Intel An-835:高速PAM4信令基础

2021-10-09 高速射频百花潭 阅读:
随着市场对数据的渴望不断增长 - 不仅数据越多,而且数据传输速度越快 - 基于NRZ类型编码的旧调制方案越来越不充分。我们需要尽可能有效地从A点到B点获取数据,无论是PC板上的芯片还是长途光纤的一端到另一端。在许多方面受到青睐的调制方案是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。
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。

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随着我们社会对数据的渴望不断增长 - 不仅数据越多,而且数据传输速度越快 - 基于NRZ类型编码的旧调制方案越来越不充分。我们需要尽可能有效地从A点到B点获取数据,无论是PC板上的芯片还是长途光纤的一端到另一端。在许多方面受到青睐的调制方案是PAM4。
PAM4信号其采用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。

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。Fcvednc

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:Fcvednc

· 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;Fcvednc

· 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。Fcvednc

· 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。Fcvednc

· 比如…………Fcvednc

在NRZ场景中,我们采用二进制模式,比如0011010,并将其编码为一系列固定电压电平,较低电压为零,较高电压为1(参见图中的数据流M) 1的)。我们假设给定比特率为28 Gb/s。Fcvednc

PAM4加倍串行数据传输中的位数通过增加脉冲幅度调制的电平数来实现,但是以噪声敏感性为代价。Fcvednc

如果我们将NRZ信号视为眼睛如图所示,它将具有比特周期T和幅度A.该信号所需的带宽与比特周期(1/T)有关。比特率越快,比特周期越短,带宽越高。Fcvednc

还有一个信噪比(SNR)比要求,它与振幅有关。眼图变得越垂直越小,维持SNR就越难以解释链路接收端的信号。从根本上说,我们要做的是将数量增加一倍。我们从A点发送到B点的比特。实现这一目标的一种方法是添加第二个通道或通道。在这个通道中,我们可能希望发送一个不同的位模式,比如0101100(参见图1中的数据流L)。但这种方法有一个缺点,那就是我们现在需要两个发射器,两个接收器和两个通道。我们可能没有额外的房地产或功耗,所以我们寻找另一种解决方案。Fcvednc

我们还可以做些什么来加倍比特率?一种方法是序列化两个比特流。我们创建了一个56-Gb/s通道,而不是两个28-Gb/s通道。结果,在我们以28 Gb/s传输一位的同一时段,我们现在有两位以56 Gb/s传输。这看起来像图1中的比特流ML。Fcvednc

信号ML的眼图显示振幅仍然与信号M和L的振幅相同,但现在是时期T/2。如果我们颠倒这个数字,我们得到带宽,2/T.我们保留了与A相关的SNR要求,但信号所需的带宽增加了一倍。因此,它分别是SNR和带宽的好消息和坏消息。Fcvednc

我们需要一种方法来将通道中的比特率加倍,而不会使所需带宽加倍,这就是PAM4进入图像的地方。PAM4取L(最低有效位)信号,将其除以一半,并将其加到M(最高有效位)信号。结果是四个信号电平而不是两个,每个信号电平对应一个两位符号。Fcvednc

PAM4信号在图1中看起来像迹线M + L/2。最低级别为00,然后分别为01,10和11。PAM4表示脉冲幅度调制,“4”表示四级脉冲调制PAM4信号的眼图是不寻常的,有三个眼图开口和四个垂直堆叠的电平,如图所示。比特周期(或符号周期)是T.但是,这三只眼睛中的每一只眼睛的开口是A/3。对于带宽要求,我们回滚到1/T.因此,该信号移动56 Gb/s,使用与移动28 Gb/s的ML信号相同的带宽量。但是随着与A/3相关的SNR,我们发现我们的M + L/2信号是三倍m。Fcvednc

实际上,我们已经将SNR换算为带宽。许多串行链路受带宽限制,因为在任何长度的铜线上移动都难以超过28 Gb/s。但是当你有一些SNR空间时,考虑使用PAM4调制方案可能会有所收获。Fcvednc

更多内容,请参考intel文档:Fcvednc

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