PAM-4 порождает новые задачи измерений

№ 3’2016
PDF версия
Пять десятилетий цифровая электроника успешно процветала, передавая нули и единицы с помощью кодирования NRZ (без возврата к нулю). Оригинальные инженерные решения в сочетании с успешным развитием технологий изготовления печатных плат и полупроводниковых приборов позволили постоянно повышать скорость передачи данных.

В настоящее время выпускается множество устройств различных стандартов, поддерживающих последовательную передачу цифровых данных со скоростью до нескольких Гбит/с. Однако сейчас промышленность подошла к непреодолимому барьеру, препятствующему дальнейшему росту скорости при использовании кодирования NRZ. Высокие частоты быстрее затухают в материале печатных плат, ограничивая пределы возможного повышения скорости. Техническая потребность в более высоких скоростях привела к появлению кодирования PAM‑4 (четырехуровневая амплитудно-импульсная модуляция). Изменения грядут, и они окажут огромное влияние на методы и инструменты, которыми пользуются инженеры для отладки и тестирования физического уровня высокоскоростных последовательных шин.

В кодировании NRZ биты данных передаются последовательно по одному. В каждый момент времени сигнал, в зависимости от уровня напряжения, может принимать значение нуля или единицы, то есть каждый символ несет один бит информации. На рис. 1 показаны кодирование NRZ и результирующая глазковая диаграмма. Глазковая диаграмма широко применяется для оценки качества коммуникационных каналов и играет ключевую роль в отладке и проверке систем многочисленных стандартов, использующих кодирование NRZ, таких как Ethernet, PCIe, USB, SATA, SAS, HDMI, DVI, Thunderbolt и MIPI. Скорость передачи символов измеряется в бодах, и для сигналов NRZ она совпадает со скоростью передачи битов. Частота Найквиста таких сигналов равна половине битовой скорости, а более высокие битовые скорости достигаются за счет повышения частоты основной гармоники сигнала.

Сигналы NRZ кодируют каждый символ одним битом и формируют традиционную глазковую диаграмму, по которой выполняются многочисленные измерения

Рис. 1. Сигналы NRZ кодируют каждый символ одним битом и формируют традиционную глазковую диаграмму, по которой выполняются многочисленные измерения

 

Кодирование PAM‑4

Кодирование PAM‑4 позволяет передавать 4 уровня напряжения, что соответствует глазковой диаграмме с тремя глазками, как показано на рис. 2. Четыре уникальных уровня напряжения дают возможность кодировать каждый символ двумя битами. Скорость в бодах (или символьная скорость) определяет число изменений сигнала (или число символов) в секунду. Для данной символьной скорости (или частоты Найквиста) такой метод передачи удваивает битовую скорость по сравнению с кодированием NRZ. При равной символьной скорости PAM‑4 достигает удвоенной пропускной способности. Или, используя вдвое меньшую символьную скорость, PAM‑4 может обеспечить ту же пропускную способность, что и NRZ. При равной символьной скорости PAM‑4 обеспечивает вдвое большую пропускную способность по сравнению с NRZ. Это достигается с помощью четырех уровней напряжения для кодирования одного символа двумя битами. Пересечения разверток сигналов PAM‑4 формируют глазковую диаграмму с тремя глазками (рис. 2).

Кодирование PAM 4 позволяет передавать 4 уровня напряжения, что соответствует глазковой диаграмме с тремя глазками

Рис. 2. Кодирование PAM 4 позволяет передавать 4 уровня напряжения, что соответствует глазковой диаграмме с тремя глазками

Давайте рассмотрим конкретный пример. Допустим, мы хотим создать коммуникационный канал с пропускной способностью (или битовой скоростью) 50 Гбит/с. Чтобы получить битовую скорость 50 Гбит/с с помощью сигнала NRZ, символьная скорость тоже должна равняться 50 Гбод, а частота Найквиста — 25 ГГц. Для получения той же битовой скорости 50 Гбит/с с помощью кодирования PAM‑4 нам понадобится символьная скорость 25 Гбод, а частота Найквиста будет равна 12,5 ГГц. PAM‑4 обеспечивает ту же битовую скорость с вдвое меньшей символьной скоростью по сравнению с кодированием NRZ. Почему это так важно?

Переход на PAM‑4 в некоторых приложениях может потребоваться из-за затухания высокочастотного сигнала в материале печатной платы. Например, для 400G Ethernet даже лучшие материалы создают затухание до 40 дБ для сигналов NRZ со скоростью 56 Гбит/с. Для других приложений серьезным стимулом могут стать экономические показатели, достигаемые в результате снижения стоимости материала печатной платы и разъемов.

Будет ли кодирование NRZ по-прежнему использоваться в некоторых гигабитных приложениях? Безусловно. Существуют и еще долго будут существовать тысячи электронных приложений, в которых скорости, обеспечиваемой NRZ, вполне достаточно. Мы наблюдали рост скорости сигналов NRZ от нескольких мегагерц в 1980‑х годах до десятков мегагерц в начале 1990‑х. Методы коррекции, например предыскажения на стороне передатчика, в сочетании с такими технологиями приема, как CTLE (непрерывная линейная коррекция) и DFE (коррекция с решающей обратной связью), сохранили актуальность NRZ для многих стандартов, в частности для шины PCIe gen 3, работающей на скорости 8 Гбит/с, и интерфейса USB 3.1, действующего на скорости 10 Гбит/с. Однако для битовых скоростей, превышающих 10 Гбит/с, имеет смысл применить один из видов кодирования PAM.

Наиболее вероятным кандидатом для массового распространения кодирования PAM‑4 является 400G Ethernet. Стандарту 400G Ethernet отводится ключевая роль в модернизации инфраструктуры информационных центров. Стандартная реализация 100G Ethernet состоит из 4 линий с кодированием NRZ и скоростью передачи 25 Гбит/с. Для 400G Ethernet пропускная способность должна быть в четыре раза больше. Скорее всего, интерфейс 400G будет реализован с использованием 8 линий по 25 Гбод с кодированием PAM‑4. Удвоение числа линий и применение кодирования PAM‑4 позволит получить нужную пропускную способность, в четыре раза большую, чем у 100G Ethernet. По мере того как другие стандарты последовательной передачи данных с кодированием NRZ начнут претендовать на скорости больше 20 Гбит/с, они, вероятно, станут переходить на какую-либо разновидность PAM. Это может быть PAM‑3, PAM‑4 или другие реализации PAM-n.

Кодирование PAM‑4 порождает множество новых проблем тестирования. Отношение сигнала к шуму (С/Ш) у PAM‑4 меньше, поскольку сигнал имеет три глазка в том же диапазоне напряжений, что и один глазок NRZ. Это делает обязательным применение малошумящих измерительных приборов. В прошлом контрольно-измерительному оборудованию не нужно было определять несколько пороговых уровней для глазковых диаграмм. Из-за разной длительности положительного и отрицательного перепада в точке пересечения может возрасти межсимвольная интерференция (ISI). Глазки могут наклониться друг относительно друга. Высоты глазков могут оказаться несимметричными, что приведет к сжатию амплитуды одного или нескольких из них. А сегодняшние процедуры коррекции осциллографов и тестеров коэффициента битовых ошибок (BERT) рассчитаны на сигналы NRZ.

 

Тестирование приемников

Кодирование PAM‑4 принесло немало новых проблем тестирования приемников и передатчиков. Для тестирования физического уровня приемников гигабитных последовательных каналов широко применялись тестеры коэффициента битовых ошибок (BERT). Тестеры BERT измеряют коэффициент битовых ошибок, генерируя испытательные последовательности и обнаруживая ошибки, а также позволяют добавлять в сигнал джиттер для имитации неблагоприятных условий. Проблема традиционных BERT заключается в том, что они рассчитаны на кодирование NRZ. BERT не способен создавать многоуровневый испытательный сигнал. Конечно, пользователь может объединить два канала тестера для создания одного сигнала PAM‑4, ослабив один из каналов на 6 дБ, но подобный метод слишком сложен и дорог для большинства пользователей. Кроме того, в данном случае не будет возможности проверки PAM‑4 в неблагоприятных условиях.

Лучшую альтернативу для тестирования приемников PAM‑4 предлагает быстродействующий генератор сигналов произвольной формы. Принцип его работы позволяет создавать любые типы искажений для PAM‑4. Эта гибкость делает его отличным инструментом для вновь создаваемых стандартов и для отработки новых методов тестирования. Кроме PAM‑4, с помощью генератора сигналов произвольной формы можно тестировать приемники PAM‑3, PAM‑5 или любой другой будущей схемы PAM-n. Приемники PAM‑4 должны быть устойчивы к различным искажениям, помимо традиционных типов джиттера, свойственных кодированию NRZ. Глазки PAM‑4 могут наклониться друг относительно друга во временной области. Или, если рассматривать напряжение сигнала, может возникнуть нелинейность по вертикали, порождающая амплитудное сжатие, как показано на рис. 3. Быстродействующие генераторы сигналов произвольной формы, такие как Keysight M8195A с частотой дискретизации 65 Гвыб/с, позволяют выполнять необходимые тесты приемников PAM‑4 в неблагоприятных условиях. Пример использования генератора сигналов произвольной формы для тестирования приемника в неблагоприятных условиях приведен на рис. 3.

Пример использования генератора сигналов произвольной формы для тестирования приемника в неблагоприятных условиях

Рис. 3. Пример использования генератора сигналов произвольной формы для тестирования приемника в неблагоприятных условиях

 

Тестирование передатчиков

Для тестирования передатчиков гигабитных последовательных каналов, использующих кодирование NRZ, традиционно применялись осциллографы. Производители таких приборов создали приложения для анализа PAM‑4 с помощью стробоскопических осциллографов, которые часто называют анализаторами цифровых коммуникационных сигналов (DCA), а также с помощью осциллографов реального времени. Эти приложения PAM‑4 предоставляют возможность строить и измерять глазковую диаграмму PAM‑4, как показано на рис. 4. Это предоставляет возможность использовать осциллографы для тестирования передатчиков PAM‑4.

Опциональное приложение для тестирования передатчиков PAM 4 на осциллографе, позволяющее строить и анализировать глазковые диаграммы

Рис. 4. Опциональное приложение для тестирования передатчиков PAM 4 на осциллографе, позволяющее строить и анализировать глазковые диаграммы:
а) глазковая диаграмма PAM 4 на осциллографе DCA компании Keysight;
б) глазковая диаграмма на осциллографе реального времени Infiniium с полосой пропускания 63 ГГц

Сигналы PAM‑4 имеют меньшее отношение сигнал/шум, чем сигналы NRZ, что делает обязательным применение малошумящих измерительных приборов. Осциллографы DCA обладают самым низким уровнем шума, самым малым джиттером и имеют минимальную стоимость среди приборов с достаточно широкой полосой пропускания для тестирования PAM‑4. В результате они отлично подходят для измерения сигналов PAM‑4. Однако осциллографам DCA требуется сигнал внешнего запуска, что становится серьезной проблемой для некоторых систем PAM‑4. В таком случае целесообразно применение осциллографов реального времени, работающих без внешнего запуска. Кроме того, осциллографы реального времени могут отображать закрытые или иным образом искаженные глазковые диаграммы, что облегчает отладку систем PAM‑4. Оба типа осциллографов с приложением PAM‑4 измеряют высоту и ширину каждого из трех глазков PAM‑4. Осциллографическое приложение PAM‑4 автоматически восстанавливает встроенную тактовую частоту, выполняет автоматическое или заданное пользователем вертикальное разделение и автоматически измеряет высоту и ширину глаза.

В Интернете есть множество веб-семинаров и статей, которые могут оказаться полезными инженерам, планирующим работать с кодированием PAM‑4. На запрос по ключевому слову “PAM‑4” поисковые системы найдут все официальные документы на эту тему. Заблаговременная консультация с поставщиком контрольно-измерительного оборудования поможет специалистам выбрать необходимые приборы и программное обеспечение, соответствующие их требованиям и бюджету. Кроме того, привлечение поставщиков контрольно-измерительного оборудования позволит определить, как хорошо тот или иной производитель может удовлетворить ваши потребности в тестировании приемников и передатчиков.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *