幅度响应怎么计算_四电平脉冲幅度调制(PAM4)信号的误码分析
- PAM4 是一種高效利用帶寬傳輸串行數據的方法,所需的通道帶寬僅為 NRZ 所需帶寬的一半。
用戶需要具有即時數據訪問能力的互聯網絡,這種不斷增長的需求推動著以太網、64G光纖通道、CEI-56 G以及其他新一代數據中心網絡鏈路向前發展。
用戶需要具有即時數據訪問能力的互聯網絡,這種不斷增長的需求推動著以太網、64G 光纖通道、CEI-56G以及其他新一代數據中心網絡鏈路向前發展。隨著數據速率不斷提高,OIF、CEI和IEEE 802.3以太網等新興數據中心標準正在朝著PAM4 (四電平脈沖幅度調制)多電平信令制式遷移。數據中心網絡帶寬不斷增長,下一個目標瞄準了400Gb/soPAM4等多電平信令制式是推動400G實現的技術。從NRZ (非歸零) 過渡到PAM4是一種跨越式的變化,而不是從100 G 逐步演進,因此帶來了許多新的概念,也給設計提出了許多新的挑戰。使用PAM4和NRZ信號進行高數據速率的傳輸,無論是在系統設計還是表征方面都有很大的挑戰性。本應用指南詳細介紹了關于PAM4信號生成和分析的技巧,針對的僅僅是誤碼分析,而不包括TDECQO在進行詳細介紹之前,我們首先了解一下基礎定義。
你必須了解的基礎定義
NRZ 信號:這是一種用于表示 0 和 1 比特的線路編碼。正電壓代表邏輯1,等效負電壓代表0。
四電平脈沖幅度調制 PAM4信號:這是一種使用脈沖幅度調制技術的線路編碼。PAM4信號有四個電壓電平,每個幅度電平分別對應邏輯比特00、01、10和11。換言之,PAM4編碼的每個符號由2個比特組成,它們對應一個電壓電平,即幅度。
圖1:NRZ 和 PAM4信號
格雷碼:格雷碼也稱為反射二進制碼,是連續符號相差一個二進制比特的一種編碼碼型。在PAM4中,00、01、10和11是分別表示電平0、1、2和3〈表1)的二進制比特序列。對于0、1、2和3電平,用格雷碼表示的相同符號為00、01、11和10。
表1:二進制碼和格雷碼
PAM4編碼也是使用格雷編碼碼型創建的,因為這種碼型有助于糾正誤碼。格雷編碼遵循IEEE和OIF標準。隨著比特和符號的引入,有必要提一提每秒比特數和波特率之間的差異。每秒比特數表示的是每秒傳輸的比特0或0)總數。波特率表示的是每秒發送的符號數。對于NRZ信號而言,符號率與比特率相同;波特率和bps(每秒比特數)也相同。但對于PAM4信號而言,兩者是不同的。
四電平脈沖幅度調制 PAM4信號的每個符號有2個比特。因此,每秒傳輸的符號數〈波特率)是每秒傳輸的比特數的一半。以 PAM4 信號為例,如果符號率為28 Gbaud,則表示每秒傳輸 56 Gb。
對 四電平脈沖幅度調制 PAM4的需求
NRZ 信號在數據速率低于20-25 Gbaud的數字通信鏈路中使用得非常廣泛。然而,隨著對更高傳輸帶寬的需求與日俱增,傳輸介質的通道損耗逐漸變成一個大問題。以圖2所示的短程接口的通道損耗為例,它由CEl-56GVSR通道決定。
圖1:CEl-56GVSR通道特性[1]
隨著頻率上升,通道的插入損耗也會增加。
這種響應與低通濾波器的特性類似。事實上,通道就相當于低通濾波器,不允許高頻通過,從而劃出可用通道帶寬的界限。
根據香農定律:
C=2*B*Iog2(M)
C=通道容量或可實現的最大數據速率(單位:bps)。B=通道帶寬(單位:(z)。
M=信號電平數量。
這個公式表明,如果要提高數據速率或通道容量,那么必須增加通道帶寬(B)或信號電平數量(M)。
增加可用通道帶寬(B)可以通過改進物理系統來實現。但是,這種方案的成本可能非常高,而且可能要完全改變現有系統。如果不改變通道,那么我們可以通過去加重 (在發送端)和均衡(在接收端)來實施改。這種做法可以補償通道損耗,同時改善通道響應,只不過改善程度不大,還會受到噪聲的限制。
要想使通道響應獲得更大改善,可以采取增加信號電平數量 (M) 的方法。
例如,數據速率為56 Gbps時,一個NRZ(M=2)信號所需的帶寬為28GHz,而PAM4 (M=4)信號僅需要 14 GHz,并且在這個頻率范圍內,衰減也較小。在帶寬不變的前提下,這意味著數據速率可以通過增加M來提高。此外,您可以引入去加重和均衡來補償損耗并提高信號質量。
PAM4誤碼分析
串行數據鏈路的完整性通常用比特誤碼率 (BER) 來表示。請注意,這里用到的術語是“比率"而不是“比例"。它測量的是單位時間內的比特誤碼數。在實際系統中,大多數比特誤碼是由隨機噪聲造成的,它們隨機發生,而不是呈現均勻分布率。
采用判決反饋均衡器(DFE)的系統可能會產生猝發誤碼,它們的分布不是隨機的。
BER是將誤碼比特數與發送的比特數對比得出的一個估計值。為了表征實際系統中比特誤碼的隨機性,更便捷的方法是將BER理解為接收機輸出端的比特差錯率,這是一種統計測量。BER衡量的是接收機的質量,也因為標準聯盟定義了 BER 的一致性要求,所以 BER 測量實際上對于表征測試非常重要。只分析關于 0 或 1 的特定誤碼有助于診斷接收機或鏈路中其他部分的問題。
由于 BER 測量是一個統計過程,因此只有當被測比特數接近無窮大時,測得的BER才會接近實際 BER。萬幸的是,我們可以通過先預定義一個閾值(即目標 BER)來執行 BER 測試。達到預定閾值(即目標 BER)所需的比特數取決于所需的置信度。置信度是利用指定的BER(即目標BER)確定系統真實 BER 的概率。置信度不會達到 100%,因為這將需要無窮大的比特數量,這根本是無法測量的。對于大多數應用而言,通常 95% 的置信度即己足夠。置信度不同,所需的測量時間也不同。
比特差錯率
比特差錯率(BER)是誤碼比特數與發送的比特總數的比值。用數學方式來表達的話,BER 就是
比特誤碼率測試儀(BERT)通常通過下式得出BER測量值:
例如:一個BER為5.6*10-6,它表示
在 1000 萬個比特中有 56 個誤碼比特。有時候我們會用字母“E”來代替 10 的冪,因此,上面的公式現在變成了:5.6E-6。
符號差錯率(SER)
SER也是一種統計測量,它表示的是誤碼的符號數量與傳輸的符號總數之間的比率。這種測量與BER不同,因為BER指示的是比特誤碼方面的性能,而SER指示的則是符號誤碼方面的性能。
在不同的數字調制類型中,比特和符號的定義也不一樣。例如,如果是 NRZ 信號的話,比特和符號是相同的。因此,BER 和 SER 概念相同。但如果是NRZ以外的其他數字調制方案,那么BER和SER就是不同的概念。
SER在PAM4環境中的重要性
在本應用指南中,術語 SER 對應的是 PAM4 信令,不得與IEEE標準中前向糾錯 (FEC) 規定的SER 要求相混淆。
PAM4 中的每個符號代表 2 個比特。但是當發生誤碼時,一個符號誤碼可能是單比特誤碼或雙比特誤碼。
根據誤碼的情況,BER和SER可能是相同的,也可能BER是SER的一半(此時符號誤碼為單比特誤碼)。
生成PAM4的常用方法還包括使用兩個二進制加權 NRZ 流,其中需要使用功率組合器對它們進行組合來生成 PAM4 信號(下文中探討)。然而,在這種方法中,其中一個 NRZ 發射機的問題(如壓擺率、不正確的電壓電平和偏移)可能導致誤碼只出現在PAM4輸出中的特定跳變(符號誤碼)上。通過對特定跳變類型執行誤碼分析,可以對發生這些情況的原因進行診斷。
在表征 PAM4 系統時,您必須全面了解 BER 和 SER,因為 SER 對 PAM4 信號的表征起著至關重要的作用。由于PAM4有四個符號,因此可能需要進行總共五項SER測量,其中四個是單項的SER測量,另一個是上述的總體SER測量。如果一個PAM4符號出現誤碼,那么必須知道是哪個符號出現了誤碼(0、1、2還是3)。根據這些信息,可以計算出符號0/1/2/3的差錯率。
了解了 SER 之后,用戶可以識別哪個 PAM4 符號出現誤碼,或是特定符號出現誤碼的頻次。這個詳細的 SER 分析有助于實現 PAM4 系統的完整表征。總體 PAM4 的 SER 和單個 PAM4 符號的SER可以用下式計算:
BERT系統
為了查看 BER 和 SER ,我們使用了比特誤碼率測試 (BERT) 系統。BERT 系統由碼型發生器(PG)、誤碼檢測器 (ED)和時鐘組成。PG 生成一個已知的比特或符號碼型,該碼型經過被測器件并環回到ED。ED 將收到的碼型與預期的碼型進行比較,從而計算出BER。圖3顯示了使用BERT 的基本測試配置。由于發送給接收機輸入的測試數據會發生損壞,所以環回路徑必須干凈,這意味著被測器件必須有一個合適的發射機用于環回,同時連接BERTED的走線或電纜連接必須要短。
圖3:使用BERT的基本測試配置
BERT的通用屬性
- 以測試信號的全數據速率運行。
- 所有數據測試實時完成。
- 連續進行測試。
- 誤碼檢測器不是采樣系統。它以數據速率實時計算傳輸比特和誤碼比特的數量,而示波器則是采集數據并加以處理。
- 如需驗證較低的 BER 目標 (如BER < 10-12),它非常有用。
- PG 輸出和 ED 輸入均為電氣參數:外部儀器級 E/O,光學模塊的測試需要用到配有調制器和 O/E 轉換器的可調激光源。
- PG 具有用戶控制的誤碼注入功能:
可用于驗證環回配置,或檢查被測器件的內部誤碼計數器
生成PAM4信號
有兩種方法可以生成 PAM4 信號。第一種方法是使用兩個 NRZ 碼型信號來生成 PAM4 信號。第二種方法則是直接生成 PAM4 碼型。下面我們分別對這兩種方法展開探討。
使用兩個NRZ通道生成PAM4信號
生成一個四電平 PAM4 信號需要兩個具有不同幅度的 NRZ 碼型。這兩個 NRZ 碼型充當最低有效位 (LSB) 和最高有效位 (MSB) 碼型,合在一起形成PAM4信號。每個NRZ碼型分別對應邏輯狀態 0 或 1。假設有兩個 NRZ 流,邏輯狀態是 00、01、10 或 11。
例如,在圖4中,MSB 和 LSB NRZ 碼型使用不同的幅度表示:-400 mVpp 至400 mVpp MSB 和 -200 mVpp 至 200mVpp LSB。
圖 4:使用兩個 NRZ 通道生成 PAM4 信號
圖 4 中提到的值為示例值。如圖 5 所示,在 LSB NRZ通道中添加一個 6 dB 的衰減器可以實現不同的幅度。添加一個時延(相當于輸出中表示 MSB 的衰減路徑,使用射頻功率分配器將這兩個信號相加。在實際操作中經常使用兩個衰減器,一個為 10 dB,另一個為 3 dB。傳輸線失配會造成反射效應,導致 PAM4 系統出現問題,而這兩條路徑上的衰減可以減少這種失配。由于 9 dB 衰減器不常見,因此 LSB 輸出中使用的是 10 dB 衰減器。使用幅度控件校正碼型發生器輸出中的 1 dB 誤差。圖 5 顯示了簡化框圖。
圖5:使用兩個 NRZ 通道生成 PAM4 信號
雖然這種方式看起來簡單明了,但它存在一定的局限性。
使用兩個 NRZ 通道生成 PAM4 信號的挑戰
- 靈活性下降:單個眼圖的高度不能獨立變化。要改變眼圖的高度,兩個NRZ通道的幅度都會發生變化。然而,這對于單獨調整三個眼圖的高度沒有幫助。
- 偏移:確保組合的NRZ通道彼此之間的相位完全對齊并與時鐘完全對齊。各NRZ相位之間的微小差異會導致眼圖張開度縮小,直接影響到質量。隨著抖動的注入,這個問題越發突出。
- 去加重:通過引入去加重來補償通道損耗,操作起來比較復雜。需要在每個NRZ通道上應用去加重,才能在輸出端得到去加重結果。
- 外部附件會影響信號質量,使得可用的幅度范圍變小。
采用 PAM4 本地生成方法可以消除這些問題,而且它除了解決靈活性下降和偏移問題之外,還可以避免使用外部附件。但是,使用兩個NRZ通道生成 PAM4 時,為了消除通道路徑上的不規則特性,需要用到一個衰減器和一個功率分配器。
Keysight M8040A 64 Gbaud 高性能 BERT PG 使用 PAM4 本地生成技術生成具有不同電平的 PAM4 信號。圖6顯示的就是該信號在 DCA-M 采樣示波器上的眼圖。
圖6:在DCA采樣示波器上看到的差分PAM4信號。
誤碼檢測方法
ED 接收碼型并將其與預期碼型進行比較,從而計算出 BER。預期碼型可以由算法生成(如PRBS),也可以從存儲器中獲得。要建立有效的 BER 測量,ED 需要知道數據速率,以便與進入的碼型同步并調整采樣時延點。此外,ED 還需要知道幅度電平,通過采樣閾值做出準確的決策。
ED的質量可通過以下要素確定:
實時誤碼分析結果。它可以支持的各種預期碼型:PRBS、SPQR、PRBS31Q或是存儲器中保存的碼型。
支持的數據速率。
支持的輸入幅度電平;ED的靈敏度。
全采樣,即對每個單位間隔(UI)進行采樣。
真實的BER測量結果;與預期碼型的比較。
固有抖動。
均衡;眼圖打開能力。
檢測PAM4的能力。
測量能力,如抖動容限、BERT掃描、總體抖動測量,以及Q因子(它以高精準度移動閾值電平)。
參數掃描。
ED的工作方式:
BERT系統中有一個ED,但它不是采樣系統,而是以規定的數據速率對比特和誤碼比特進行實時采樣。它的預期碼型(如PRBS碼型)可以預先保存在存儲器中或是通過算法生成。通過將預期碼型與接收的碼型進行比較,它能夠實時計算BER。
NRZ ED的操作
如果輸入信號是 NRZ 碼型,單個閾值電壓足以檢測輸入信號。閾值電壓設置為 0 V,這是兩個NRZ 跳變時刻的中點。如果采樣電壓高于閾值,它將被解釋為邏輯 1;如果采樣電壓低于閾值,它將被解釋為邏輯 0。
采樣閾值必須位于 NRZ 眼圖的中點,因此在采樣時刻確定輸入信號電平時不會產生混淆。取決于采樣閾值和采樣點時延〈采樣時刻或時延時刻),可以確定 NRZ 是 1 或是 0。將輸入碼型與預期碼型進行比較,計算出 BER。BER 測量實時進行,因為在這個時刻有預期的比特可用于比較。
圖 7 顯示了 NRZ ED的質量。質量取決于它的分辨率和調整采樣點的精度,以及找到眼圖打開中心的閾值電平。
圖7:NRZ ED采樣點。
NRZ 信號由支持上述屬性的 NRZ ED 實時進行完全表征。我們來看看如何使用 ED 分析PAM4 信號。
PAM4誤碼分析
使用 NRZ ED 分析 PAM4
使用 NRZ ED 檢測 PAM4 BER有幾種不同的方法。在這些方法中,有三種方法比較突出。
圖8:PAM4 解碼成兩個 NRZ 流
3. 輸入的 PAM4 信號由兩個功率分配器分成三個信號,每個信號均與 NRZ ED連接。同時為每個眼圖生成 PAM4 BER。但是,這不是 SER。這種方法的優點是眼圖水平偏移,采樣點時延不同。但是,這種方法有一個缺點,即需要額外使用功率分配器來降低信號幅度。
NRZ ED挑戰
這些使用NRZ ED的方法都存在相應的挑戰:
- 在第二種方法中,如果時鐘信號有抖動,或者被測器件有時鐘恢復功能能夠重新計時,那么去多路復用器的時鐘就會成為問題。
- 在第三種方法中,當使用功率分配器分割PAM4信號時,信號會減小到最小值,導致SNR變低。PAM4信號降低到一個很低的值,甚至可能達到誤碼檢測器的檢測極限(靈敏度),從而有可能被錯誤地解釋,將1解釋為0。
- 在信號路徑中添加任何元器件都會帶來損耗,增加時延和信號失真。
- 雙重計數問題:這個問題關系到符號誤碼率。誤碼檢測器使用三個獨立限幅器來監測每個眼圖,容易受到這個問題的影響。例如,如果PAM4符號的期望值為0 (二進制為00),并且模擬輸入信號在2到3之間,那么監測下方和中間眼圖的限幅器都會輸出高信號。如果不使用額外的邏輯來屏蔽第二個限幅器的輸出,那么這一個壞符號會計數為兩個符號誤碼,如圖9所示。
圖9:重復計數問題
誤碼檢測系統需要額外的邏輯,由該邏輯使用屏蔽碼防止重復計數。屏蔽碼與預期碼型一起存儲在碼型存儲器中。只有全部三個ED通道都進行了比特同步,屏蔽才有效。碼型編輯器中的軟件提取對碼型進行編碼,生成正確的屏蔽碼。取決于預期符號代碼的值,ED中的特定邏輯會屏蔽多個限幅器的輸出。
就上例而言,預期值為 0。監測中間和上方眼圖的限幅器的輸出將被屏蔽,只使用監測下方眼圖的限幅器為誤碼計數器提供輸入。這種方法是可行的,但只能按照存儲在碼型中的屏蔽碼信息,使用存儲器中保存的碼型進行操作。
它不適用于長 PRBS 碼型,如最常用于 400G 級別標準接收機一致性測試的 PRBS31Q 碼型。
直接PAM4分析
為了克服上述挑戰,可以實施實時和直接的 PAM4 分析。這需要在三個信號眼圖中同時對輸入的 PAM4 信號的全部三個閾值進行采樣。
圖10: PAM4電壓閾值
圖10顯示了 PAM4 信號及其閾值電壓。在除了跳變時刻之外的任何其他時刻,輸入的 PAM4 序列代表電壓電平 0、1、2 或 3。通過對三個電壓閾值同時采樣,各個電壓閾值的邏輯 1 或邏輯 0 狀態會與PAM4符號和相應的格雷碼對應,然后可以使用查找表成功地實時解碼。表 2對操作進行了總結。
表2.PAM4解碼表
例如:如果采樣的閾值電壓為:V高=0,V中=1,V低=1,則輸入符號為PAM4電平2符號。
直接的 PAM4 符號接收操作至此完成。將其與預期的 PAM4 符號進行比較,計算出 BER 和 SER 測量值。
您也可以檢測不同眼高的 PAM4 信號。限幅器(采樣器)閾值根據預期的PAM4信號來設置。
直接 PAM4 檢測的優勢
盡管可以采用不同的方法來測量PAM4信號的BER或SER,但是相比之下直接PAM4檢測具有下列優勢:
- 實時PAM4分析:直接PAM4檢測是實時進行的,不涉及后期處理。這一優勢非常重要,因為它使您可以測量超出捕獲存儲器深度的長PRBS碼型(如QPRBS31),并且通過實時更新SER和BER計數器,將低目標BER(10一12或更少)的測量時間控制到最短。
- 使用查找表可以避免重復計數,并且無需使用模板,也避免了對存儲器中保存的碼型的限制。
- 支持標準推薦的格雷編碼碼型。
- 詳細的誤碼分析:可以對接收的符號進行詳細的誤碼分析,包括符號0、1、2和3的單獨符號差錯率測量。這一功能至關重要,只有實時對照PAM4預期碼型進行比較,才能進行詳細的SER分析。詳細分析是一種功能強大的故障診斷工具,可以幫助我們分析誤碼的可能原因。
- 檢測具有不同眼高的眼圖:此功能使用戶能夠根據自己的要求檢測具有不同眼高的PAM4信號。您可以根據預期的PAM4信號設置采樣點閾值,實現這個檢測目的。
- 由于只有一個ED, 因此無需進行偏移校正。
使用M8040A 64 Gbaud 高性能 BERT進行差錯率分析
Keysight M8040A是一臺高度綜合的BERT,可用于物理層表征和一致性測試。它支持PAM4和NRZ信號,以及最高64 Gbaud (相當于128 Gbit/s)的符號率,因而適用于新興400/200GbE和CEl-56G標準的測試。M8040A BERT具備真正的誤碼分析功能,能夠提供精確且可重復的結果,優化器件的性能裕量。
它由M8045A碼型發生器模塊和M8046A誤碼檢測器模塊組成。它可以執行非常廣泛的測量,加速進行差錯率分析。M8040A高性能BERT的主要特點如下
- 可對NRZ和PAM4信號進行真正和實時的分析
- 高度整合抖動、去加重和均衡功能支持多種碼型,如通過算法生成的PRBS、QPRBS碼型,以及在存儲器中預存的碼型,并包括具有環路和誤碼注入功能的碼型序列發生器
- 可擴展、可升級
- M8070A系統軟件能夠控制M8040A BERT。圖11顯示了具有差錯率測量功能的M8070A用戶界面。
圖11:M8070A詳細的BER測試界面
圖12:配有M8045APG、M8046AED和M8057A遠程前端的M8040ABERT系統
使用M8040A BERT進行PAM4分析
為了有效地表征PAM4系統,進行直接的PAM4檢測很重要。如上所述,對PAM4而言,SER是一個重要的測量值。M8046AED讓您能夠完全實時地表征收到的PAM4信號。M8040AED通過對全部三個閾值同時進行直接PAM4檢測采樣,可以實時分析輸入的PAM4信號。它使用一個采樣時延點,一次性對全部三個閾值進行采樣。直接PAM4檢測的所有優點同樣適用于M8040A高性能BERT0M8040A提供BER和SER測量,還提供詳細的誤碼分析,如全部五種PAM4SER測量〈其中四種適用于單獨的PAM4符號,另外一種適用于考慮全部符號的總體SER測量);從符號0到符號3的每個符號出現的誤碼數,比較的比特總數和比較的符號總數。M8040A能夠提供PAM4信號的所有可能的BER和SER測量值。
以BER為例,它能夠顯示總體BER系統的測量結果,包括比較比特總數、發送比特、誤碼0、誤碼1、0的BER和1的BERO圖3為M8070A軟件界面上呈現的PAM4誤碼分析詳細結果。
圖13:M8070A軟件界面上呈現的PAM4測量結果。
- PAM4 是一種高效利用帶寬傳輸串行數據的方法,所需的通道帶寬僅為 NRZ 所需帶寬的一半。
- 在表征、設計和調試使用 PAM4 信令的鏈路時,需要對PAM4系統進行表征,BER和SER是兩個至關重要的參數。對于PAM4信號,可能需要進行總共五種SER測量,其中四種是單獨符號的測量,剩下一種是總體SER測量。
- PAM4信號可以通過組合兩個NRZ信號來生成,也可以直接生成。組合兩個NRZ信號限值能夠讓您獨立設置每個電平,或是引入去加重,但這種做法需要時延/偏移校準。直接生成方法則沒有這些限制。
- 典型的BERT系統配有ED,它會以規定的數據速率實時對所有比特和誤碼比特進行計數。
- 使用NRZ ED執行PAM信號誤碼分析有一定的局限性,包括需要增加硬件,同時不能進行實時分析。
- 本地PAM4生成是生成PAM4信號的最高效方式,同時還沒有任何限制。它還支持格雷編碼,可以避免重復計數的問題。
- Keysight M8040A高性能BERT采用了直接PAM4生成和檢測方法,可以充分發揮上面所列的各種優勢。它不僅能夠提供關于BER和SER的詳細誤碼分析(包括單度符號值的SER),還支持長PRBS碼型以及存儲器預存的碼型。即使是對于長PRBS231-1或QPRBS31碼型,它也能夠測量最低10.15的差錯率。這種詳細的差錯率分析有助于用戶表征數字系統并進行故障診斷。
總結
以上是生活随笔為你收集整理的幅度响应怎么计算_四电平脉冲幅度调制(PAM4)信号的误码分析的全部內容,希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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