雖然 PAM-4 等多級信令技術已經在電信和長途光學應用中實施了一段時間，但在數據中心空間實施 PAM-4 帶來了一系列截然不同的挑戰，因為需要創建更多具有成本效益的串行數據鏈路。PAM-4 是數據中心網絡和 IT 基礎設施(真正成為 400G 以太網)中下一代數據速率的推動者之一，但它也將出現在其他地方。

對損害鏈路性能的原因和機制的了解每天都在增長。隨著這一新科學在行業中得到更好的定義，將需要新的測量來表征發射器的輸出，并且需要新的應力減損來測試接收器輸入以在新產品中成功部署 PAM-4。

滿足 PAM-4

PAM-4 協議有四個不同的幅度級別：-3、-1、1 和 3(圖 1)。因此，PAM-4 眼圖具有三個不同的垂直開口，即所謂的“眼”，對應于信號電平，而不僅僅是 NRZ 信號產生的單眼。額外的垂直電平允許 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 信號的單個位。因此，從頻域的角度來看，PAM-4 需要 NRZ 的一半帶寬來實現相同的數據傳輸速率。

圖 1：PAM-4 具有四個不同的幅度電平(頂部)，導致三張眼圖(底部)。

在 PAM-4 中使用多級信令需要設計用于處理多級信令的創新工具，以及其他 PAM-4 測試挑戰，包括時鐘恢復、決策反饋均衡 (DFE) 和減少信號至- 噪聲比。以下是對 PAM-4 更廣泛采用所帶來的挑戰的簡要概述。

PAM-4 模擬

發送器 (TX)、通道和接收器 (RX) 的典型 PAM-4 通信系統配置可以是芯片到芯片、芯片到模塊(電氣或光學)或電氣背板。這些高性能組件、模塊和網絡的開發需要復雜的測試和測量技術來實現接口互操作性和測試驗證。由于是新的，PAM-4 400G以太網開發幾乎沒有歷史技術或工程經驗可以參考，這使得PAM-4系統仿真非常有價值。測試和端到端鏈路仿真的新考慮對于驗證 PAM-4 合規性和確保互操作性至關重要。能夠在更高的數據傳輸速率下測試和糾正干擾影響以及研究新的電路、模塊、PAM-4 設計所需的網絡技術取決于成功的 PAM-4 仿真。用于信號完整性的電子設計自動化 (EDA) 工具將使設計人員能夠解決以太網 PAM-4 和 NRZ 的仿真測量相關性和工作流程。

PAM-4 測量解決方案

PAM-4 的測量和仿真挑戰彼此相似。當今工程師面臨的主要挑戰是時鐘恢復 (CR)、眼圖偏移和噪聲。使用 PAM-4，新的復雜性增加了測量挑戰。受損的鏈路可能與時鐘恢復的實現以及諸如偏斜、壓縮和非線性等閉眼挑戰有關(圖 2)。隨著 PAM-4 技術的不斷進步以及對 PAM-4 挑戰和解決方案的了解的增長，將出現新的測量來表征發射器 (Tx) 輸出，并且將開發新的壓力損傷來測試和表征接收器 (Rx) 輸入。

圖 2：更高的數據速率傳輸會導致信號特性發生變化，需要額外的糾錯技術來保持開放的眼圖。非線性或幅度壓縮可以改變不同過渡眼的眼高，從而由于較低過渡的較低信噪比而導致線性誤差。

輸出傳輸 (Tx) 表征

輸出 (Tx) 測試驗證輸出參數是否滿足或超過標準要求，包括眼圖參數和抖動測量。標準的發射機線性度測試圖案和四元 PRBS13 測試圖案使 PAM-4 信號能夠測試線性度和關鍵眼圖參數。正在考慮開發兩種不同類型的 PAM-4 接收機;基于限幅器電平的接收器，其中眼高/寬度很重要，或者基于 ADC 的接收器，其中星座形式的電平變化最為重要。四元測試模式可用于驗證任一接收器設計的發送器輸出。

發射機 (Tx) 特性可以通過帶有 PAM-N 分析軟件的采樣示波器進行測量。由于其硬件架構，采樣示波器的本底噪聲比實時示波器低得多，因此通常會產生更準確的 PAM-4 信號表征。Tx 特性也可以使用實時示波器進行測量，它最適合故障排除和單次事件。實時示波器提供最快的采樣率、大的記錄長度，并且不需要重復信號來生成模式波形。

輸入接收 (Rx) 表征：輸入測試驗證接收器能夠檢測到正確位以及來自最壞情況通道的損傷。接收器更容易受到線性和偏斜問題的影響。PAM-4 眼圖中的固有 ISI 要求接收器對與模式相關的抖動不太敏感。由于如果不平衡，可以在嘈雜的通道上看到誤碼，因此需要接收器均衡來平衡 CTLE DFE 之間的增益。固有的 ISI 要求接收器不易受模式相關抖動的影響。隨著 PAM-4 接收器技術的進步，需要開發新型壓力損傷來測試接收器輸入。

用于 PAM-4 的傳統誤碼率測試儀的替代方案是任意波形發生器 (AWG)。新的 AWG 可作為通信信號的解決方案，能夠生成任何幅度調制信號，例如 PAM-8、相干、OFDM 和 QAM-N。可以輕松生成包括抖動、干擾、偏斜、線性等在內的應力類型。

隨著對提高數據速率的需求推動從 100G 到 400G 的速度不斷提高，將提出許多新的設計和測量挑戰。從早期的設計模擬和輸出表征，到隨著標準的發展為輸入測試創建新的應力類型，PAM-4 涉及許多設計和測試含義。

審核編輯：湯梓紅