過去50年來,數位電子產品藉由不歸零(NRZ)訊號傳輸,在通訊通道中傳遞1和0而蓬勃發展。卓越的工程技術,伴隨著印刷電路板(PCB)及半導體的進步,促使時脈頻率不停地增加。事實上,在我們的產業中,有許多數位序列標準正以數Gb/s位元的速率執行。

然而,這個產業正因NRZ訊號傳輸速度日益提升,而面臨了巨大的障礙。PCB材料在較高頻率時造成訊號顯著衰減,降低了可額外增加的速率範圍。為了在技術上達到更高資料傳輸速率,四階脈衝振幅調變(PAM-4)訊號傳輸因而崛起。即將到來的變革,將會對工程師用於除錯和測試高速序列匯流排實體層的方法及工具帶來巨大影響。

針對NRZ訊號傳輸,每一次只依序傳輸一個資料位元。在有效的時間內,訊號可依據不同的電壓位準代表1或是0,意即每個符號具有一個位元編碼。圖1顯示NRZ訊號傳輸及其所產生的眼圖。眼圖測量被廣泛用於檢驗通訊通道的品質,在除錯及驗證各種NRZ序列標準上具有極重要的地位;這些NRZ序列標準包括乙太網路、PCIe、USB、SATA、SAS、HDMI、DVI、Thunderbolt以及MIPI。符號改變的速率(定義為波特率)相當於NRZ訊號中的位元速率。這些訊號的奈奎斯特頻率(Nyquist frequency)則為位元速率的二分之一,藉由提高訊號的基本奈奎斯特頻率,就能得到較快的位元速率。

20170126 Keysight TA31P1 圖1:NRZ訊號把單個位元編碼在一個符號中,並在多次量測後產生傳統眼圖

PAM-4訊號傳輸

PAM-4訊號傳輸能實現四種可能的電壓位準,產生如圖2顯示的3個堆疊眼圖。四個獨特的電壓位準,讓每個符號代表2個位元。波特率(Baud Rate)指的是每秒發生的訊號數或符號變化。對於指定的波特率或是基本奈奎斯特頻率,PAM-4技術可以得到兩倍於NRZ訊號傳輸的位元速率。使用同樣的波特率,PAM-4可達到兩倍的傳輸吞吐量。換句話說,若使用一半的波特率,PAM-4就能達到和NRZ一樣的傳輸吞吐量。

20170126 Keysight TA31P2 圖2:在相同波特率下,PAM-4產生較NRZ訊號傳輸更高一倍的傳輸吞吐量。PAM-4藉由使用4個電壓位準,以及在一個訊號上編碼兩個位元而實現這個結果。在交會轉換時產生一個具有3個清楚眼睛的眼圖

舉例比較PAM-4和NRZ的差別。如果我們想建立一個具有50GB/s位元速率或是吞吐量的通訊通道,使用NRZ訊號達到50Gb/s時,波特率也是50Gb/s位元速率,而訊號的奈奎斯特頻率將會是25GHz。而如果使用PAM-4訊號傳輸達到同樣的50Gb/s位元速率,需要25Gb/s的波特率以及12.5GHz的奈奎斯特頻率。PAM-4以NRZ訊號傳輸所需的二分之一波特率,就達到了同樣的50Gb/s位元速率。這為什麼如此重要?

由於PCB材料的高頻衰減,使得部份應用必須轉向PAM-4技術。以400G乙太網路為例,即使有先進的PCB材料,通道損耗在56Gb/s NRZ時仍接近-40dB。針對其他應用,經濟考量則是使用低成本PCB材料和連接器的最大因素。

NRZ訊號傳輸是否會持續用於一些Gb/s應用上?答案是必然的。對於現存以及未來的大量電子應用來說,NRZ訊號傳輸速率已足夠因應需求。NRZ訊號傳輸的速率從1980年代的數MHz,已在1990年代時進展到十幾個MHz了。等化技術,例如在發射器端去加重,並耦合如連續時間線性等化(CTLE)和決策回授等化(DFE)等接收器技術,讓NRZ能支援許多標準規格,如以8Gb/s執行的PCIe Gen3技術或以10GB/s執行的USB 3.1。對於超過10GB/s位元速率的產品,設計團隊將會有更強烈的動機考慮PAM建置的形式。

400G乙太網路可能是最先使用PAM-4訊號傳輸的大規模部署之一。在講求更高速的資料中心設施中,400G乙太網路將佔有一席之地。一種常見的100G乙太網路應用是由4條25Gb/s NRZ訊號傳輸通道所組成。400G乙太網路的通訊通道則需要四倍的100G乙太網路傳輸吞吐量。400G的建置最可能採用8條25Gbaud的PAM-4訊號傳輸。以雙倍的通道,再加上使用PAM-4訊號傳輸,可以達到等同於4倍100G乙太網路所需的傳輸吞吐量。

隨著其他的序列標準即將超越20Gb/s NRZ位元速率,我們可預期一大部份的應用都將轉為某種形式的PAM,它可能會是PAM-3、PAM-4或是其他PAM-n建置。

PAM-4帶來了大量的量測新挑戰。相較於單一的NRZ構成,PAM-4在同樣的垂直範圍內會有三眼,因而其訊號雜訊比(SNR)相對較低。這使得量測設備必須要具備較低的雜訊。之前,測試設備並不需要針對眼圖來設定多種閾值。由於在交會時不同的上升和下降時間,符號間干擾(ISI)可能會更加顯著。眼圖上顯示的眼睛可能會彼此歪斜,眼睛的高度也可能不對稱,造成其中一眼或多眼的振幅壓縮。在示波器上執行的等化應用和誤碼率測試(BERT)都是為了NRZ訊號傳輸而設計的。

接收器測試

PAM-4在接收器和發收器測試上,都帶來了許多新的量測挑戰。針對接收器測試,BERT被視為最佳的實體層Gb/s序列標準測試儀器,提供了圖形產生和誤差偵測來量測誤碼率,同時還能輸入抖動訊號以加重眼圖。傳統BERT的挑戰來自於這項技術是為了NRZ訊號傳輸而設計的。BERT在先天上並未提供多位準圖形產生的能力。使用者可以結合兩個BERT NRZ通道,創建一個PAM-4通道,並將其中一個通道衰減6dB;但是這個方式太過於複雜,而且對大部份使用者來說都非常昂貴。同樣地,它在技術上並未提供PAM-4眼圖所需的多位準加重測試。

對於PAM-4接收器測試而言,高速任意波形產生器(AWG)是一個較好的替代方案。AWG的任意本質讓它能產生各種PAM-4加重型態。其靈活性則使其成為一款絕佳的測試工具,不論是針對演進中的標準或是尚未被確定的測試方式。除了PAM-4之外,AWG還能提供PAM-3、PAM-5或未來其他PAM-n方案的接收器測試。圖3顯示使用AWG進行接收器加重測試的實例。

20170126 Keysight TA31P3 圖3:除了在NRZ訊號傳輸中常見的傳統抖動型態,PAM-4接收器還必須對其他失真或雜訊敏感。PAM-4的眼圖可能會在時域中彼此歪斜。或者,以電壓的觀點而言,也許會有非線性垂直現象造成如圖所示的振幅壓縮。透過Keysight M8195A的65Gsa/s高速任意波形產生器可以執行所需的PAM-4接收器壓力測試

發射器測試

Gigabit的NRZ序列標準長期以來使用示波器進行發射器測試。示波器廠商開發了可在取樣示波器上執行的PAM-4分析應用,通常為數位通訊分析儀(DCA)和即時示波器。這些PAM-4應用讓儀器得以展開並測量PAM-4的眼,如圖4所示。這也能讓示波器被用於PAM-4發射器的測試。

PAM-4訊號較NRZ訊號具有更低的SNR。這使得所使用的工具必須有低雜訊。DCA為PAM-4測試提供了最低的雜訊、最低的抖動,以及最低的價格/頻寬。這些屬性使其非常適用於測量PAM-4。在一些PAM-4系統中,DCA需要一個外部觸發源,因而比不需外部觸發的即時示波器存在更多限制。即時示波器也在閉合或是減損眼圖的顯示上更具優勢,並提供更多的PAM-4除錯功能。兩種PAM-4應用的示波器皆為3個PAM-4眼圖提供了眼睛高度與寬度的測量。

20170126 Keysight TA31P4 圖4:PAM-4發射器測試,可選配在示波器上執行眼圖分析的應用程式。左圖為執行Keysight DCA的PAM-4眼圖,右圖為63GHz Infiniium即時示波器的示例。示波器的PAM-4應用程式自動地回復嵌入式時脈,執行自動或使用者自訂的垂直分切,以及眼高和眼寬的自動量測