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PAM4码型发生器配置和选型

发布日期:2019-07-16 18:21
来源:行业动态
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  随着高速串行总线日益普及,从消费电子类的串行总线USB、PCI-E、DP到数据通信领域的10G、40G、100G、200G、400G以太网都采用高速串行接口传输数据。在传统的高速光通信和电通信领域才能看到的误码仪也出现在各种通用领域。然而目前市场上的误码仪很多,特别是最新出现的PAM4标准,即便同一误码仪包含的选件可能多达几十种,从中选择一台满足当前和未来应用需要的误码仪需要耗费很大的时间和精力。实际上无论是NRZ还是PAM4误码仪,都是由2个最重要的部分组成:码型发生器(产生数字激励)以及误码检测器(检测误码)。

  目前绝大多数误码仪的码型发生器都是多路NRZ通过外围器件或者转换器生成单路的PAM4输出,在性能上和成本上都会产生较大的影响。为了覆盖当前的主流应用,以及为了保证后续新的PAM4需求,需要评估码型发生器的PAM4产生方式,尽量选择全内置的PAM4直接输出功能。在通道切换上,能够无需重新启动配置误码仪而直接实时的切换NRZ和PAM4输出码型。下面就针对PAM4和NRZ的码型发生器提供典型的配置和选型指南。

  选型要点

  PAM4/NRZ通道数

  对于绝大多数的研发和测试应用,1-2个PAM4码型发生通道就足够了。特别是如果采用的是2路NRZ合并为1路PAM4的硬件构架,多通道的硬件配置和成本会高很多,目前几乎所有的台式误码仪都是配置1-2个通道,如果需要扩展到超过2个通道需要额外选择昂贵的硬件模块和配套选件。对于需要进行串扰测试的研发环境,以及目前流行的200G和400G以太网标准,可能需要4个通道甚至8个通道的PAM4输出。在实际应用过程中需要考虑PAM4和NRZ的通道数量来保证当前和未来的需求。

  下图是一个传统的单通道PAM4码型产生方法,即通过2路NRZ码型发生器产生单路PAM4输出。

  中星联华科技最新的PAM4误码仪采用直接内置PAM4信号发生器的精简构架,其核心是去除各种外部的电缆和校准,简化硬件环境,把时钟合成器、PAM4发生器等诸多分离器件直接集成在一个机身内,并且通过内置校准实现对于不同速率的自动的校准和补偿。

  下面的表格总结了目前流行的PAM4误码仪信号产生的不同方式以及通道扩展的便捷性。

  PAM4/NRZ数据速率

  绝大多数的主流误码仪分为3种不同的速率范围,从1Gbps-12.5Gbps的NRZ信号速率,从24Gbps-32Gbps的NRZ信号速率以及从32Gbps-56Gbps的PAM4信号输出速率。 绝大多数误码仪都是在上述三种速率下通过不同的硬件选件和模块来完成相互的覆盖,导致在硬件配置上非常复杂。选择满足应用速率的NRZ或者PAM4码型发生器时,需要特别注意。由于传统误码仪速率范围的限制,对于不同的速率,输出信号在速率范围的边界上抖动和眼图会存在明显差别。例如实际应用需要完成28Gbps的测试,选择一台具备8Gbps-28.5Gbps输出的码型发生器就有可能会产生潜在的问题。最高速率在28.5Gbps的码型发生器可能的优化速率在25Gbps以内,如果接近28.5Gbps速率的极限边界环境下测试,抖动和眼图指标可能会产生恶化。针对这个问题,绝大多数实际应用都需要对数据速率,特别是上限速率留出额外20%左右的余量,避免进入误码仪的极限环境。例如上面的一个28Gbps的测试要求,如果要求高精度测试,最好选择33Gbps以上的码型发生器保证输出质量满足标准要求。

  发送均衡功能

  一般误码仪提供标准配置的内置均衡,如果要提供额外的均衡能力则需要采用外部硬件实现,对于PAM4和NRZ的码型发生器来说,均衡能够补偿高频分量的衰减,是一个必要的功能。在几乎所有的超过25Gbps的串行通信标准中,都明确定义和要求了发送均衡。目前主流的的发送均衡是1-2个pre-cursor,加上1-2个post-cursor来完成对发送端信号的预调理。均衡中pre-cursor的增益和post-cursor的衰减的范围也在标准中有明确的要求,保证可以灵活的支持不同的通道和传输环境。当然对于每一个cursor的调整,由于都是数字FFE实现,需要保证满足标准要求的每一个步进的分辨率足够。

  发送信号的幅度

  由于高速信号的发送会不可避免的产生码间干扰ISI,高频跳变的信号幅度会明显降低,发送信号的幅度测试并不是特别直接,最精确的方式是通过配置码型发生器的输出码型为长0和长1,这样就可以避免由于ISI衰减导致的测试误差。 由于眼图是最直观的评估信号质量的方法,更流行的方法是通过眼图的方法来快速测试信号的幅度。 对于NRZ输出而言,一般眼图的幅度分为内眼高和外眼高。外眼高是包含高频跳变分量和低频分量的峰峰值,一般需要最少1.2v的峰峰值,有些应用例如作为串扰源或者驱动光模块的应用,可能需要1.5v的峰峰值。更重要的内眼高即测试眼图的眼高指标,一般在25Gbps的输出下,眼图高度需要至少为700mv-800mV。

  下图是一个进行实时PAM4和NRZ实时切换时捕获的眼图叠加显示效果。

  对于接收机的灵敏度测试或者有些应用需要NRZ或者PAM4码型发生器的输出能够支持输出低达50mV的小幅度信号,同时保证同样的信号保真度。对于传统的码型发生器,标配最小的输出幅度一般为200mV-500mV,并不能直接满足要求。这时候需要配备专门的选件或者采用外部加超过40GHz带宽的衰减器来满足要求。

  发送信号的抖动

  在光模块或芯片设计研发过程中,BERT作为测试设备的精度和性能应该远好于被测电路(例如对于最关键的输出抖动和眼图)。当然除了必须满足标准外,PPG码型发生器还需要提供15%-20%的余量,这样才能保证测试结果的精度。

  对于生产测试,由于测试时间和测试效率的要求,虽然不需要对被测电路进行高精度的细节测试,但是同样需要保证测试结果能够真实反应被测电路的性能,确保不会由于测试仪器指标不足导致原本通过的被测件被误选为不良件。由于大批量的高速被测件需要在短时间内完成测试,如果BERT的性能不满足标准,最终对于大量样本下的产品不良率会有影响。例如对于光模块的接收端而言,需要测试在满足标准的接口下误码率小于1e-12或者1e-15。由于生产的被测件是以满足某一种标准为最基本要求,那么PPG输出抖动作为生产过程中的测试设备一般至少比标准要求高10%-15%左右,这样保证测试结果的可靠性。下面是对PPG输出随机抖动要求。

  以一个25.78125Gbps的标准速率为例,如果需要在满足标准100G-CAUI4以及OIF-CEI的光电接口标准,输出随机抖动要求小于0.01UI(在25.78125Gbps下为0.388ps) 有效值,那么对应的PPG的输出随机抖动应该小于0.33ps才能保证研发测试精度和生产过程中的成品率。下面列出了不同的速率标准下考虑上面因素后对PPG的随机抖动要求。

  上升和下降时间

  对于高速串行总线,上升/下降时间是非常重要的指标。对于4Gbps-12.5Gbps的低速应用,上升时间一般在25ps-40ps之间。对于20Gbps-32Gbps的高速应用,一般要求信号的上升时间在14-20ps之间。实际应用过程中绝大多数的接收机都是带宽限制在33Ghz-40Ghz,并且采用4阶贝塞尔汤普森滤波器为参考。过快的上升时间并不能真正代表接收机测试的环境,在最新的高速NRZ和PAM4标准中,明确了对于上升时间的要求不是越快越好,经过贝塞尔汤普森滤波器把额外的高频分量滤除后采集到的眼图为真正模拟接收机的状况。对于有些应用,如果上升时间不能调整变慢,会要求通过添加外部硬件滤波器来减慢上升时间,进而达到实际的测试目的。另一方面上升时间过慢会导致眼图的恶化,特别是内眼高的要求或者光电模板的要求。选择一台误码仪的码型发生器如果需要支持不同的速率范围,最好能够选择配置对应的上升时间。

  硬件的尺寸和构架

  在目前主流的台式误码仪中,一般都是通过主机箱加模块的方式实现灵活的配置和扩展功能,由很多个不同的硬件和软件的选件配置来满足不同的应用需求。如果主机和模块的体积过大,没有办法直接靠近被测电路的话,一般是通过一个额外的remote head的硬件来靠近被测电路DUT,避免电缆过长导致的高频衰减。对于PAM4的输出而言,还可能需要额外的选件来支持均衡功能。对于一个满足基本功能的PAM4码型发生器而言,需要选择主机箱,配备时钟合成器产生时钟,高速的时钟送给不同速率范围的码型发生器,然后通过噪声或者抖动插入选件产生信号损伤,然后在输出配置均衡功能,PAM4或者NRZ的选件,模块的输出最后在通过高频电缆连接到外围硬件remote head。导致的缺点就是硬件配置和连接复杂,任何一个模块的故障都会导致整个系统的问题,一般需要选配长期的保修选件来保护投资。无论是一体机的方式还是模块化方式,未来最新的PAM4码型发生器都采用高度集成的全内置的方式,这样不仅可以满足绝大多数主流应用需求,在操作和硬件设置连接上可以大大的提高用户的使用便捷性。

  静电防护和运行环境温度

  静电防护是高速设备的重要环节。传统的台式误码仪最后选配静电防护选件,来保护码型发生器的高速通道。最新的全内置误码仪可以针对每一个通道内置静电防护功能。 由于传统的PAM4的输出在高速率的情况下功耗高,当配合其他模块使用时需要额外的散热。所以目前的台式PAM4码型发生器的每一个通道都必须额外接一个remote head来解决散热问题,这不仅导致硬件配置和连接更加复杂,还增加了相应的费用。

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