数据中心使用PAM-4带来的挑战

虽然 PAM-4 等多级信令技术已经在电信和长途光学应用中实施了一段时间，但在数据中心空间实施 PAM-4 带来了一系列截然不同的挑战，因为需要创建更多具有成本效益的串行数据链路。PAM-4 是数据中心网络和 IT 基础设施(真正成为 400G 以太网)中下一代数据速率的推动者之一，但它也将出现在其他地方。

对损害链路性能的原因和机制的了解每天都在增长。随着这一新科学在行业中得到更好的定义，将需要新的测量来表征发射器的输出，并且需要新的应力减损来测试接收器输入以在新产品中成功部署 PAM-4。

满足 PAM-4

PAM-4 协议有四个不同的幅度级别：-3、-1、1 和 3(图 1)。因此，PAM-4 眼图具有三个不同的垂直开口，即所谓的“眼”，对应于信号电平，而不仅仅是 NRZ 信号产生的单眼。额外的垂直电平允许 PAM-4 以相同的波特率 (28 GBaud PAM-4 = 56 Gb/s) 提供 2 位信息，而不是 NRZ 信号的单个位。因此，从频域的角度来看，PAM-4 需要 NRZ 的一半带宽来实现相同的数据传输速率。

图 1：PAM-4 具有四个不同的幅度电平(顶部)，导致三张眼图(底部)。

在 PAM-4 中使用多级信令需要设计用于处理多级信令的创新工具，以及其他 PAM-4 测试挑战，包括时钟恢复、决策反馈均衡 (DFE) 和减少信号至- 噪声比。以下是对 PAM-4 更广泛采用所带来的挑战的简要概述。

PAM-4 模拟

发送器 (TX)、通道和接收器 (RX) 的典型 PAM-4 通信系统配置可以是芯片到芯片、芯片到模块(电气或光学)或电气背板。这些高性能组件、模块和网络的开发需要复杂的测试和测量技术来实现接口互操作性和测试验证。由于是新的，PAM-4 400G以太网开发几乎没有历史技术或工程经验可以参考，这使得PAM-4系统仿真非常有价值。测试和端到端链路仿真的新考虑对于验证 PAM-4 合规性和确保互操作性至关重要。能够在更高的数据传输速率下测试和纠正干扰影响以及研究新的电路、模块、PAM-4 设计所需的网络技术取决于成功的 PAM-4 仿真。用于信号完整性的电子设计自动化 (EDA) 工具将使设计人员能够解决以太网 PAM-4 和 NRZ 的仿真测量相关性和工作流程。

PAM-4 测量解决方案

PAM-4 的测量和仿真挑战彼此相似。当今工程师面临的主要挑战是时钟恢复 (CR)、眼图偏移和噪声。使用 PAM-4，新的复杂性增加了测量挑战。受损的链路可能与时钟恢复的实现以及诸如偏斜、压缩和非线性等闭眼挑战有关(图 2)。随着 PAM-4 技术的不断进步以及对 PAM-4 挑战和解决方案的了解的增长，将出现新的测量来表征发射器 (Tx) 输出，并且将开发新的压力损伤来测试和表征接收器 (Rx) 输入。

图 2：更高的数据速率传输会导致信号特性发生变化，需要额外的纠错技术来保持开放的眼图。非线性或幅度压缩可以改变不同过渡眼的眼高，从而由于较低过渡的较低信噪比而导致线性误差。

输出传输 (Tx) 表征

输出 (Tx) 测试验证输出参数是否满足或超过标准要求，包括眼图参数和抖动测量。标准的发射机线性度测试图案和四元 PRBS13 测试图案使 PAM-4 信号能够测试线性度和关键眼图参数。正在考虑开发两种不同类型的 PAM-4 接收机;基于限幅器电平的接收器，其中眼高/宽度很重要，或者基于 ADC 的接收器，其中星座形式的电平变化最为重要。四元测试模式可用于验证任一接收器设计的发送器输出。

发射机 (Tx) 特性可以通过带有 PAM-N 分析软件的采样示波器进行测量。由于其硬件架构，采样示波器的本底噪声比实时示波器低得多，因此通常会产生更准确的 PAM-4 信号表征。Tx 特性也可以使用实时示波器进行测量，它最适合故障排除和单次事件。实时示波器提供最快的采样率、大的记录长度，并且不需要重复信号来生成模式波形。

输入接收 (Rx) 表征：输入测试验证接收器能够检测到正确位以及来自最坏情况通道的损伤。接收器更容易受到线性和偏斜问题的影响。PAM-4 眼图中的固有 ISI 要求接收器对与模式相关的抖动不太敏感。由于如果不平衡，可以在嘈杂的通道上看到误码，因此需要接收器均衡来平衡 CTLE DFE 之间的增益。固有的 ISI 要求接收器不易受模式相关抖动的影响。随着 PAM-4 接收器技术的进步，需要开发新型压力损伤来测试接收器输入。

用于 PAM-4 的传统误码率测试仪的替代方案是任意波形发生器 (AWG)。新的 AWG 可作为通信信号的解决方案，能够生成任何幅度调制信号，例如 PAM-8、相干、OFDM 和 QAM-N。可以轻松生成包括抖动、干扰、偏斜、线性等在内的应力类型。

随着对提高数据速率的需求推动从 100G 到 400G 的速度不断提高，将提出许多新的设计和测量挑战。从早期的设计模拟和输出表征，到随着标准的发展为输入测试创建新的应力类型，PAM-4 涉及许多设计和测试含义。

审核编辑：汤梓红