光學PAM4技術正成為主流,它已經被納入IEEE 802.3bs和802.3cd (400G、200G、100G和50G速度)等乙太網路標準中。PAM4訊號的特性化、相容性和故障排除與早期的不歸零(NRZ、PAM2)訊號有很大差異。針對光學訊號以及電氣的訊號雜訊失真比(SNDR),PAM4的重點正從光罩測試轉移至發射器和色散眼圖閉合四相(TDECQ)測試。因此,你必須瞭解如何進行這些測試。

儘管PAM4增加了複雜度,而且需要新的測量方法,但為了跟上不斷增加的網路頻寬需求,採用PAM4成為必然的發展趨勢。諸如IEEE和光互連論壇(OIF)等標準組織得出的結論是:實現更高輸送量的最實際方法是採用像PAM4的途徑——倍增每單位間隔(UI)的位元數,以提高位元密度。

PAM4的基本原理

顧名思義,PAM4使用脈衝振幅調變,這意味著透過調變脈衝振幅來傳遞資訊,而不考慮相位。PAM4使用4階訊號傳輸(signaling),每單位間隔(UI)傳輸兩位元(或1個符號);相較於傳統的PAM2-NRZ編碼,它只使用了一半的頻寬(圖1)。

20180622_Tektronix_TA31P1 圖1:PAM2-NRZ和PAM4基頻訊號傳輸及其眼圖分別顯示兩個和四個振幅

轉移至四階訊號傳輸的方式,導致每單位間隔有三個眼圖。表1比較了PAM4和NRZ訊號的特性。使用PAM4時,速度以符號速率——波特率(baud))表示。每單位間隔週期為1/符號率。由於PAM4每個符號編碼兩個位元,25GBaud的符號速率可傳輸50Gbits/s。

20180622_Tektronix_TA31P2 表1:相較於NRZ編碼,PAM4可使資料速率倍增

儘管標準仍在不斷發展,但IEEE 802.3bs和IEEE 802.3cd委員會正開始採納PAM4訊號傳輸。表2中以紅色框線標示的標準與光學PAM4具有特殊相關性,其距離範圍從不到100m到10km不等。

20180622_Tektronix_TA31P3 表2:最新的資料通訊標準採用25+GBaud的PAM4(來源:Tektronix)

光罩測試一直是NRZ光模組的基本實體層(PHY)測量方法;光罩提供通過/失敗(pass/fail)測試。光罩命中(mask hit)被定義為落在光罩內的樣本點。如果樣本點都發生在光罩內,則該元件未通過測試。這在較低速時才具有意義,而且比現有資料速率可能實現更多餘量。隨著速度提高,接收器設計變得更加複雜,而且需要採用接收器等化和前向糾錯(FEC)來克服通道損傷。透過等化和FEC,接收器可以容忍更高層次的誤碼率(BER),這意味著光罩命中發生在通道末端。

然而,隨著速度的增加,工程師們開始發現接收器可以容忍光罩內的一些命中,並且仍然可透過等化作用提供強大的無差錯性能。因此,業界轉向了基於光罩命中率統計的方法。這是對要求光罩內的命中數為零的光罩命中測試的一個改進。光罩命中率方法還改善了與BER或符號錯誤率(SER)的相關性,如其在PAM4內所稱。圖2顯示光罩命中率方法(綠色曲線)如何改善傳統的光罩命中測試(藍色曲線)。

20180622_Tektronix_TA31P4 圖2:零命中率(藍色)的光罩測試距離添加光罩命中率(綠色)的理想情況(橙色)更遠

橙色曲線代表了理想情況,完美地區分了良品和次品。藍色曲線是簡單的光罩測試,其區分能力不佳。綠色曲線表示光罩命中率測試,能改善傳統邊限(margin)測試的良率,但仍不夠理想。因此,隨著時間的推移,採納(acceptance)過程應檢視光罩命中率。如此將會使曲線更接近理想情況。需要關注的主要問題在於命中是否會對當今通訊系統中的接收器造成不利影響。

越來越多的組織正朝向具有良好性能和提高產能的光罩命中率發展。他們的目標是在標準之上進行測試,並增加充份的光罩命中率餘裕。在最近的非PAM4/NRZ標準中,TDEC測量同時取代了光罩測試及發射器和色散損耗(TDP)測試。這種方法已經被採用了,因為它提供了一個全面的測量結果,該結果考慮了發射器波形的形狀以及符號間干擾(ISI)抖動對於垂直閉合眼圖的影響。

例如,在802.3bm-2015規範中,從眼圖擷取到的四個垂直長條圖,中心在0.4UI和0.6UI,分別高於和低於平均光功率。這由圖3中的四個方框表示。位置的選擇考慮了接收器的時序。然後將這些長條圖累積到累積密度函數(CDF)中,從而獲得以dB表述的TDEC。輸出相當於過去的BER輪廓測量,而且能對於BER變化時的眼圖情況指供良好的指標。

20180622_Tektronix_TA31P5 圖3:在802.3bm-2015規範中描述NRZ訊號傳輸的TDEC測量,側重於垂直眼圖閉合(來源:IEEE)

在測量儀器中實現TDEC可透過模擬模態色散來完成,從而建立ISI效應以垂直地閉合眼圖並確定裝置是否通過測試。最終,最佳的TDEC性能可以定義為0dB的訊號輸出。所以,如果你想得到完美結果,答案就是0dB——無需付出任何代價,即可得到理想的發射器。根據100GBASE-SR4等標準,每個標準都將設置TDEC的最高等級或可容忍的代價。

圖4中,在測試建置的光學模組中,一個特殊的頻寬限制濾波器有助於助瞭解可應用的模態色散量。請記住,你仍然有一個眼圖,而且可以將模態色散添加到測量系統中。然後再透過計算測量分貝等級的CDF評估輸出。這種方法與光罩測試不同,因為它包含通道(模態色散模擬ISI),而且光罩現在更多的是矩形而不是眼形。你不用察看波形影像,就能直接檢視CDF並以分貝為單位進行測量。

20180622_Tektronix_TA31P6 圖4:多模光纖的TDEC測量使用頻寬限制濾波器,以模擬模態色散

轉向TDECQ

PAM4可能實現的四階將Q添加到TDEC,作為測量結果。TDECQ最終成為使用PAM4等化光鏈路的光學測量途徑。如同TDEC,TDECQ是一種發送器波形形狀損耗的測量類型,你仍然能透過加入模態色散來評估特定眼圖的性能。

圖5顯示用於PAM4的TDECQ簡化測量設置。它從發射器開始,然後是光通道、分光器、測試光纖、O/E到時脈恢復以及示波器。它大部份都是傳統設置,但增加了一個可打開眼圖的參考等化器。如果沒有參考等化器,由於通道損耗,眼圖可能會完全閉合。

20180622_Tektronix_TA31P7 圖5:IEEE P802.3bs D3.5. 2017定義的TDECQ測試設置(來源:IEEE)

PAM4訊號傳輸上的TDECQ測量延伸了NRZ訊號傳輸使用的TDEC測量方法。如圖6所示,在兩個位置處共有用於四階的八個垂直長條圖。

20180622_Tektronix_TA31P8 圖6:為了用於PAM4 TDECQ測量,IEEE P802.3bs D3.5. 2017定義了八個長條圖,在0.45 UI和0.55 UI各有四個(來源:IEEE)

圖7顯示IEEE測試規範中對於TDECQ的定義。請注意,現在有多個根據應用對於TDECQ值的限制。例如,對於400GBASE-DR的傳輸特性,限制為3.4dB。

20180622_Tektronix_TA31P9 圖7:IEEE P802.3bs D3.5. 2017測試規範定義的TDECQ(來源:IEEE)

最終,這裡關鍵的複雜因素是需要用參考等化器在接收器的位置等化波形。正確實施參考等化作用對於獲得準確和可重複的結果至關重要。若未能正確實施,將會對於測量結果增添許多未知變數,導致難以正確地評估裝置。確保參考等化器演算法能夠補償示波器和訊號路徑中的任何電-光雜訊也非常重要。在測量時排除示波器的影響並使用參考等化器進行等化,是理解精確TDECQ性能的最複雜因素。

實際進行TDECQ測量後,圖8的一系列螢幕截圖顯示了56GBaud系統的實驗室測量結果,其TDECQ為1.99dB,這應該是一個可靠的通過結果。它遵循上述的TDECQ測量方法。

20180622_Tektronix_TA31P10 圖8:經由53GBd發射器的測試,產生了1.99dB的通過TDECQ結果,如Global Measurements的結果表所示。第一張螢幕截圖顯示用於計算TDECQ的測量PAM 4眼圖(按照圖6所示的方法)。接下來的兩張圖分別從接收器和誤碼率的角度,顯示該發射器性能的眼圖。最後,最下方的螢幕截圖還提供了測量統計。

結論

TDECQ是用於測試PAM4元件和模組的最新開發工具,可用於取代傳統的光罩測試,因為它使用了一種基於統計學的方法,能更準確地區分好壞元件。TDECQ演算法看起來很簡單,但由於其對於最佳化的靈敏度以及需要正確的參考等化器實現,因此用起來可能很複雜。儘管如此,這是款非常方便的工具,能以終端用戶能理解的概念(即以dB表示損耗)提供結果。