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表1二进制码和格雷码PAM4编码也是使用格雷编码码型创建的因为这种码型有助于纠正误码。格雷编码遵循IEEE和OIF标准。随着比特和符号的引入有必要提一提每秒比特数和波特率之间的差异。每秒比特数表示的是每秒传输的比特0或0总数。波特率表示的是每秒发送的符号数。对于NRZ信号而言符号率与比特率相同波特率和bps每秒比特数也相同。但对于PAM4信号而言两者是不同的。四电平脉冲幅度调制 PAM4信号的每个符号有2个比特。因此每秒传输的符号数〈波特率是每秒传输的比特数的一半。以 PAM4 信号为例如果符号率为28 Gbaud则表示每秒传输 56 Gb。对 四电平脉冲幅度调制 PAM4的需求NRZ 信号在数据速率低于20-25 Gbaud的数字通信链路中使用得非常广泛。然而随着对更高传输带宽的需求与日俱增传输介质的通道损耗逐渐变成一个大问题。以图2所示的短程接口的通道损耗为例它由CEl-56GVSR通道决定。 图1CEl-56GVSR通道特性[1]随着频率上升通道的插入损耗也会增加。这种响应与低通滤波器的特性类似。事实上通道就相当于低通滤波器不允许高频通过从而划出可用通道带宽的界限。根据香农定律C2*B*Iog2(M)C通道容量或可实现的最大数据速率单位bps)。B通道带宽单位(z)。M信号电平数量。这个公式表明如果要提高数据速率或通道容量那么必须增加通道带宽(B)或信号电平数量(M)。增加可用通道带宽(B)可以通过改进物理系统来实现。但是这种方案的成本可能非常高而且可能要完全改变现有系统。如果不改变通道那么我们可以通过去加重 (在发送端和均衡在接收端来实施改。这种做法可以补偿通道损耗同时改善通道响应只不过改善程度不大还会受到噪声的限制。要想使通道响应获得更大改善可以采取增加信号电平数量 (M) 的方法。例如数据速率为56 Gbps时一个NRZ(M2信号所需的带宽为28GHz而PAM4 (M4信号仅需要 14 GHz,并且在这个频率范围内衰减也较小。在带宽不变的前提下这意味着数据速率可以通过增加M来提高。此外您可以引入去加重和均衡来补偿损耗并提高信号质量。PAM4误码分析串行数据链路的完整性通常用比特误码率 (BER) 来表示。请注意这里用到的术语是“比率而不是“比例。它测量的是单位时间内的比特误码数。在实际系统中大多数比特误码是由随机噪声造成的它们随机发生而不是呈现均匀分布率。采用判决反馈均衡器(DFE)的系统可能会产生猝发误码它们的分布不是随机的。BER是将误码比特数与发送的比特数对比得出的一个估计值。为了表征实际系统中比特误码的随机性更便捷的方法是将BER理解为接收机输出端的比特差错率这是一种统计测量。BER衡量的是接收机的质量也因为标准联盟定义了 BER 的一致性要求所以 BER 测量实际上对于表征测试非常重要。只分析关于 0 或 1 的特定误码有助于诊断接收机或链路中其他部分的问题。由于 BER 测量是一个统计过程因此只有当被测比特数接近无穷大时测得的BER才会接近实际 BER。万幸的是我们可以通过先预定义一个阈值即目标 BER)来执行 BER 测试。达到预定阈值即目标 BER)所需的比特数取决于所需的置信度。置信度是利用指定的BER即目标BER)确定系统真实 BER 的概率。置信度不会达到 100因为这将需要无穷大的比特数量这根本是无法测量的。对于大多数应用而言通常 95 的置信度即己足够。置信度不同所需的测量时间也不同。比特差错率比特差错率(BER)是误码比特数与发送的比特总数的比值。用数学方式来表达的话BER 就是比特误码率测试仪(BERT)通常通过下式得出BER测量值例如一个BER为5.6*10-6它表示在 1000 万个比特中有 56 个误码比特。有时候我们会用字母“E”来代替 10 的幂因此上面的公式现在变成了5.6E-6。符号差错率(SER)SER也是一种统计测量它表示的是误码的符号数量与传输的符号总数之间的比率。这种测量与BER不同因为BER指示的是比特误码方面的性能而SER指示的则是符号误码方面的性能。在不同的数字调制类型中比特和符号的定义也不一样。例如如果是 NRZ 信号的话比特和符号是相同的。因此BER 和 SER 概念相同。但如果是NRZ以外的其他数字调制方案那么BER和SER就是不同的概念。SER在PAM4环境中的重要性在本应用指南中术语 SER 对应的是 PAM4 信令不得与IEEE标准中前向纠错 (FEC) 规定的SER 要求相混淆。PAM4 中的每个符号代表 2 个比特。但是当发生误码时一个符号误码可能是单比特误码或双比特误码。根据误码的情况BER和SER可能是相同的也可能BER是SER的一半此时符号误码为单比特误码。生成PAM4的常用方法还包括使用两个二进制加权 NRZ 流其中需要使用功率组合器对它们进行组合来生成 PAM4 信号下文中探讨。然而在这种方法中其中一个 NRZ 发射机的问题如压摆率、不正确的电压电平和偏移可能导致误码只出现在PAM4输出中的特定跳变(符号误码上。通过对特定跳变类型执行误码分析可以对发生这些情况的原因进行诊断。在表征 PAM4 系统时您必须全面了解 BER 和 SER,因为 SER 对 PAM4 信号的表征起着至关重要的作用。由于PAM4有四个符号因此可能需要进行总共五项SER测量其中四个是单项的SER测量另一个是上述的总体SER测量。如果一个PAM4符号出现误码那么必须知道是哪个符号出现了误码0、1、2还是3。根据这些信息可以计算出符号0/1/2/3的差错率。了解了 SER 之后用户可以识别哪个 PAM4 符号出现误码或是特定符号出现误码的频次。这个详细的 SER 分析有助于实现 PAM4 系统的完整表征。总体 PAM4 的 SER 和单个 PAM4 符号的SER可以用下式计算BERT系统为了查看 BER 和 SER ,我们使用了比特误码率测试 (BERT) 系统。BERT 系统由码型发生器(PG)、误码检测器 (ED)和时钟组成。PG 生成一个已知的比特或符号码型该码型经过被测器件并环回到ED。ED 将收到的码型与预期的码型进行比较从而计算出BER。图3显示了使用BERT 的基本测试配置。由于发送给接收机输入的测试数据会发生损坏所以环回路径必须干净这意味着被测器件必须有一个合适的发射机用于环回同时连接BERTED的走线或电缆连接必须要短。 图3使用BERT的基本测试配置BERT的通用属性以测试信号的全数据速率运行。所有数据测试实时完成。连续进行测试。误码检测器不是采样系统。它以数据速率实时计算传输比特和误码比特的数量而示波器则是采集数据并加以处理。如需验证较低的 BER 目标 如BER 10-12它非常有用。PG 输出和 ED 输入均为电气参数外部仪器级 E/O光学模块的测试需要用到配有调制器和 O/E 转换器的可调激光源。PG 具有用户控制的误码注入功能通常为手动单个误码也可设置为高BER如10 倒10.6 可用于验证环回配置或检查被测器件的内部误码计数器生成PAM4信号有两种方法可以生成 PAM4 信号。第一种方法是使用两个 NRZ 码型信号来生成 PAM4 信号。第二种方法则是直接生成 PAM4 码型。下面我们分别对这两种方法展开探讨。使用两个NRZ通道生成PAM4信号生成一个四电平 PAM4 信号需要两个具有不同幅度的 NRZ 码型。这两个 NRZ 码型充当最低有效位 (LSB) 和最高有效位 (MSB) 码型合在一起形成PAM4信号。每个NRZ码型分别对应逻辑状态 0 或 1。假设有两个 NRZ 流逻辑状态是 00、01、10 或 11。例如在图4中MSB 和 LSB NRZ 码型使用不同的幅度表示-400 mVpp 至400 mVpp MSB 和 -200 mVpp 至 200mVpp LSB。 图 4使用两个 NRZ 通道生成 PAM4 信号图 4 中提到的值为示例值。如图 5 所示在 LSB NRZ通道中添加一个 6 dB 的衰减器可以实现不同的幅度。添加一个时延相当于输出中表示 MSB 的衰减路径使用射频功率分配器将这两个信号相加。在实际操作中经常使用两个衰减器一个为 10 dB,另一个为 3 dB。传输线失配会造成反射效应导致 PAM4 系统出现问题而这两条路径上的衰减可以减少这种失配。由于 9 dB 衰减器不常见因此 LSB 输出中使用的是 10 dB 衰减器。使用幅度控件校正码型发生器输出中的 1 dB 误差。图 5 显示了简化框图。 图5使用两个 NRZ 通道生成 PAM4 信号虽然这种方式看起来简单明了但它存在一定的局限性。使用两个 NRZ 通道生成 PAM4 信号的挑战灵活性下降单个眼图的高度不能独立变化。要改变眼图的高度两个NRZ通道的幅度都会发生变化。然而这对于单独调整三个眼图的高度没有帮助。偏移确保组合的NRZ通道彼此之间的相位完全对齐并与时钟完全对齐。各NRZ相位之间的微小差异会导致眼图张开度缩小直接影响到质量。随着抖动的注入这个问题越发突出。去加重通过引入去加重来补偿通道损耗操作起来比较复杂。需要在每个NRZ通道上应用去加重才能在输出端得到去加重结果。外部附件会影响信号质量使得可用的幅度范围变小。采用 PAM4 本地生成方法可以消除这些问题而且它除了解决灵活性下降和偏移问题之外还可以避免使用外部附件。但是使用两个NRZ通道生成 PAM4 时为了消除通道路径上的不规则特性需要用到一个衰减器和一个功率分配器。Keysight M8040A 64 Gbaud 高性能 BERT PG 使用 PAM4 本地生成技术生成具有不同电平的 PAM4 信号。图6显示的就是该信号在 DCA-M 采样示波器上的眼图。图6在DCA采样示波器上看到的差分PAM4信号。误码检测方法ED 接收码型并将其与预期码型进行比较从而计算出 BER。预期码型可以由算法生成如PRBS)也可以从存储器中获得。要建立有效的 BER 测量ED 需要知道数据速率以便与进入的码型同步并调整采样时延点。此外ED 还需要知道幅度电平通过采样阈值做出准确的决策。ED的质量可通过以下要素确定实时误码分析结果。它可以支持的各种预期码型PRBS、SPQR、PRBS31Q或是存储器中保存的码型。支持的数据速率。支持的输入幅度电平ED的灵敏度。全采样即对每个单位间隔(UI)进行采样。真实的BER测量结果与预期码型的比较。固有抖动。均衡眼图打开能力。检测PAM4的能力。测量能力如抖动容限、BERT扫描、总体抖动测量以及Q因子它以高精准度移动阈值电平。参数扫描。ED的工作方式BERT系统中有一个ED,但它不是采样系统而是以规定的数据速率对比特和误码比特进行实时采样。它的预期码型如PRBS码型可以预先保存在存储器中或是通过算法生成。通过将预期码型与接收的码型进行比较它能够实时计算BER。NRZ ED的操作如果输入信号是 NRZ 码型单个阈值电压足以检测输入信号。阈值电压设置为 0 V这是两个NRZ 跳变时刻的中点。如果采样电压高于阈值它将被解释为逻辑 1如果采样电压低于阈值它将被解释为逻辑 0。采样阈值必须位于 NRZ 眼图的中点因此在采样时刻确定输入信号电平时不会产生混淆。取决于采样阈值和采样点时延〈采样时刻或时延时刻可以确定 NRZ 是 1 或是 0。将输入码型与预期码型进行比较计算出 BER。BER 测量实时进行因为在这个时刻有预期的比特可用于比较。图 7 显示了 NRZ ED的质量。质量取决于它的分辨率和调整采样点的精度以及找到眼图打开中心的阈值电平。 图7NRZ ED采样点。NRZ 信号由支持上述属性的 NRZ ED 实时进行完全表征。我们来看看如何使用 ED 分析PAM4 信号。PAM4误码分析使用 NRZ ED 分析 PAM4使用 NRZ ED 检测 PAM4 BER有几种不同的方法。在这些方法中有三种方法比较突出。使用单通道 NRZ ED时每个眼图的采样点都不一样。计算单个眼图的 BER 并使用该信息获得 PAM4 信号。这种方法只使用一个NRZ ED。这种方法的主要缺点是一部分数据缺失只能看到一个眼图。PAM4 信号通过编码到两个 NRZ 通道中来去多路复用。利用两个通道的 BER 来计算输入PAM4 信号的总体BER,如图 8 所示。图8PAM4 解码成两个 NRZ 流3. 输入的 PAM4 信号由两个功率分配器分成三个信号每个信号均与 NRZ ED连接。同时为每个眼图生成 PAM4 BER。但是这不是 SER。这种方法的优点是眼图水平偏移采样点时延不同。但是这种方法有一个缺点即需要额外使用功率分配器来降低信号幅度。NRZ ED挑战这些使用NRZ ED的方法都存在相应的挑战在第二种方法中如果时钟信号有抖动或者被测器件有时钟恢复功能能够重新计时那么去多路复用器的时钟就会成为问题。在第三种方法中当使用功率分配器分割PAM4信号时信号会减小到最小值导致SNR变低。PAM4信号降低到一个很低的值甚至可能达到误码检测器的检测极限灵敏度从而有可能被错误地解释将1解释为0。在信号路径中添加任何元器件都会带来损耗增加时延和信号失真。双重计数问题这个问题关系到符号误码率。误码检测器使用三个独立限幅器来监测每个眼图容易受到这个问题的影响。例如如果PAM4符号的期望值为0 (二进制为00并且模拟输入信号在2到3之间那么监测下方和中间眼图的限幅器都会输出高信号。如果不使用额外的逻辑来屏蔽第二个限幅器的输出那么这一个坏符号会计数为两个符号误码如图9所示。 图9重复计数问题误码检测系统需要额外的逻辑由该逻辑使用屏蔽码防止重复计数。屏蔽码与预期码型一起存储在码型存储器中。只有全部三个ED通道都进行了比特同步屏蔽才有效。码型编辑器中的软件提取对码型进行编码生成正确的屏蔽码。取决于预期符号代码的值ED中的特定逻辑会屏蔽多个限幅器的输出。就上例而言预期值为 0。监测中间和上方眼图的限幅器的输出将被屏蔽只使用监测下方眼图的限幅器为误码计数器提供输入。这种方法是可行的但只能按照存储在码型中的屏蔽码信息使用存储器中保存的码型进行操作。它不适用于长 PRBS 码型如最常用于 400G 级别标准接收机一致性测试的 PRBS31Q 码型。直接PAM4分析为了克服上述挑战可以实施实时和直接的 PAM4 分析。这需要在三个信号眼图中同时对输入的 PAM4 信号的全部三个阈值进行采样。 图10 PAM4电压阈值图10显示了 PAM4 信号及其阈值电压。在除了跳变时刻之外的任何其他时刻输入的 PAM4 序列代表电压电平 0、1、2 或 3。通过对三个电压阈值同时采样各个电压阈值的逻辑 1 或逻辑 0 状态会与PAM4符号和相应的格雷码对应然后可以使用查找表成功地实时解码。表 2对操作进行了总结。 表2PAM4解码表例如如果采样的阈值电压为V高0V中1V低1则输入符号为PAM4电平2符号。直接的 PAM4 符号接收操作至此完成。将其与预期的 PAM4 符号进行比较计算出 BER 和 SER 测量值。您也可以检测不同眼高的 PAM4 信号。限幅器采样器阈值根据预期的PAM4信号来设置。直接 PAM4 检测的优势尽管可以采用不同的方法来测量PAM4信号的BER或SER但是相比之下直接PAM4检测具有下列优势实时PAM4分析直接PAM4检测是实时进行的不涉及后期处理。这一优势非常重要因为它使您可以测量超出捕获存储器深度的长PRBS码型如QPRBS31并且通过实时更新SER和BER计数器将低目标BER10一12或更少的测量时间控制到最短。使用查找表可以避免重复计数并且无需使用模板也避免了对存储器中保存的码型的限制。支持标准推荐的格雷编码码型。详细的误码分析可以对接收的符号进行详细的误码分析包括符号0、1、2和3的单独符号差错率测量。这一功能至关重要只有实时对照PAM4预期码型进行比较才能进行详细的SER分析。详细分析是一种功能强大的故障诊断工具可以帮助我们分析误码的可能原因。检测具有不同眼高的眼图此功能使用户能够根据自己的要求检测具有不同眼高的PAM4信号。您可以根据预期的PAM4信号设置采样点阈值实现这个检测目的。由于只有一个ED, 因此无需进行偏移校正。使用M8040A 64 Gbaud 高性能 BERT进行差错率分析Keysight M8040A是一台高度综合的BERT,可用于物理层表征和一致性测试。它支持PAM4和NRZ信号以及最高64 Gbaud (相当于128 Gbit/s)的符号率因而适用于新兴400/200GbE和CEl-56G标准的测试。M8040A BERT具备真正的误码分析功能能够提供精确且可重复的结果优化器件的性能裕量。它由M8045A码型发生器模块和M8046A误码检测器模块组成。它可以执行非常广泛的测量加速进行差错率分析。M8040A高性能BERT的主要特点如下可对NRZ和PAM4信号进行真正和实时的分析高度整合抖动、去加重和均衡功能支持多种码型如通过算法生成的PRBS、QPRBS码型以及在存储器中预存的码型并包括具有环路和误码注入功能的码型序列发生器可扩展、可升级M8070A系统软件能够控制M8040A BERT。图11显示了具有差错率测量功能的M8070A用户界面。图11M8070A详细的BER测试界面图12配有M8045APG、M8046AED和M8057A远程前端的M8040ABERT系统使用M8040A BERT进行PAM4分析为了有效地表征PAM4系统进行直接的PAM4检测很重要。如上所述对PAM4而言SER是一个重要的测量值。M8046AED让您能够完全实时地表征收到的PAM4信号。M8040AED通过对全部三个阈值同时进行直接PAM4检测采样可以实时分析输入的PAM4信号。它使用一个采样时延点一次性对全部三个阈值进行采样。直接PAM4检测的所有优点同样适用于M8040A高性能BERT0M8040A提供BER和SER测量还提供详细的误码分析如全部五种PAM4SER测量〈其中四种适用于单独的PAM4符号另外一种适用于考虑全部符号的总体SER测量从符号0到符号3的每个符号出现的误码数比较的比特总数和比较的符号总数。M8040A能够提供PAM4信号的所有可能的BER和SER测量值。以BER为例它能够显示总体BER系统的测量结果包括比较比特总数、发送比特、误码0、误码1、0的BER和1的BERO图3为M8070A软件界面上呈现的PAM4误码分析详细结果。图13M8070A软件界面上呈现的PAM4测量结果。PAM4 是一种高效利用带宽传输串行数据的方法所需的通道带宽仅为 NRZ 所需带宽的一半。在表征、设计和调试使用 PAM4 信令的链路时需要对PAM4系统进行表征BER和SER是两个至关重要的参数。对于PAM4信号可能需要进行总共五种SER测量其中四种是单独符号的测量剩下一种是总体SER测量。PAM4信号可以通过组合两个NRZ信号来生成也可以直接生成。组合两个NRZ信号限值能够让您独立设置每个电平或是引入去加重但这种做法需要时延偏移校准。直接生成方法则没有这些限制。典型的BERT系统配有ED,它会以规定的数据速率实时对所有比特和误码比特进行计数。使用NRZ ED执行PAM信号误码分析有一定的局限性包括需要增加硬件同时不能进行实时分析。本地PAM4生成是生成PAM4信号的最高效方式同时还没有任何限制。它还支持格雷编码可以避免重复计数的问题。Keysight M8040A高性能BERT采用了直接PAM4生成和检测方法可以充分发挥上面所列的各种优势。它不仅能够提供关于BER和SER的详细误码分析包括单度符号值的SER)还支持长PRBS码型以及存储器预存的码型。即使是对于长PRBS231-1或QPRBS31码型它也能够测量最低1015的差错率。这种详细的差错率分析有助于用户表征数字系统并进行故障诊断。M8040A 64 Gbaud 高性能 BERTwww.keysight.comM8070A 适用于 M8000 系列比特误码率测试解决方案的系统软件www.keysight.com
