引言

隨著數(shù)據(jù)中心，高速光通信和電信數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的發(fā)展，采用NRZ編碼的高速串行數(shù)據(jù)速率從傳統(tǒng)的10Gbps每通道不斷升級到32Gbps每通道。由于數(shù)據(jù)吞吐量爆發(fā)式增長，需要更高的單通道數(shù)據(jù)通信速率，編碼方式也從傳統(tǒng)的NRZ編碼轉變?yōu)榱薖AM4編碼，在PAM4編碼模式的支持下，每一路速率可以直接支持到56Gbps到112Gbps。

在最新的高速光模塊接口和電模塊接口標準中，200G和400G的以太網(wǎng)標準都是采用PAM4編碼，同時內(nèi)置了各種高級診斷的功能。 同樣在消費電子類的產(chǎn)品中，也出現(xiàn)了PCIE Gen3/4、USB3.0/3.1、Thunderbolt、 SATA等各種高速總線，速率范圍可以從2.5Gbps一直到32Gbps。針對PAM4的高速測試要求，PAM4碼型發(fā)生器正成為高速誤碼測試的基本組成部分。 由于PAM4的信號產(chǎn)生有多種實現(xiàn)方式，下面就當前主流的PAM4碼型發(fā)生器進行比較。

PAM4概覽

PAM4作為新出現(xiàn)的高速串行總線編碼模式，在幾乎所有超過50Gbps的標準中都存在。由于在同等速率的情況下帶寬的要求是NRZ的一半，對于絕大多數(shù)的高速電纜、背板以及連接器而言，使用PAM4編碼可以在速率翻倍的情況下具備同樣的奈奎斯特頻率。

由于每一個symbol或者每一個UI傳輸2個比特的數(shù)據(jù)，那么在同樣的輸出幅度的情況下，需要區(qū)分4種不同的電平，這帶來了9dB的信噪比惡化。在高速總線傳輸過程中，抖動和噪聲是影響誤碼率的最關鍵指標，信噪比惡化意味著誤碼率的提升。所以在相同速率的情況下對比NRZ和PAM4，PAM4利用了四電平的調(diào)制方式，通過犧牲信噪比來換取奈奎斯特頻率的減半。下圖是NRZ和PAM4 這兩種編碼模式下的帶寬、速率、定時、信噪比的對比。

由于PAM4的信號是多電平，對于測試測量而言是一個挑戰(zhàn)，下面是一個PAM4的眼圖的示例。

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對于NRZ信號而言，只存在一個上升沿和一個下降沿。 但是對于PAM4信號，跳變發(fā)生在LEVEL0、LEVEL1、LEVEL2、LEVEL3之間的一共12種跳變。 而由于這些多重信號幅度之間的跳變會導致眼高和眼寬的惡化，一個高質量的PAM4信號源在測試中至關重要。

PAM4碼型產(chǎn)生的四種方法

傳統(tǒng)的PAM4誤碼儀分為PAM4信號發(fā)生器PPG和PAM4信號誤碼比較接收器ED兩個部分。對于PAM4信號發(fā)生器而言，目前有4種比較流行的方法產(chǎn)生PAM4輸出信號。（由于文章篇幅太長，此處上篇列舉兩種方法，下篇更多精彩正在來的路上?。?/p>

1）2路NRZ碼型發(fā)生器無源合成1路PAM4碼型發(fā)生器

早期的誤碼儀都是通過2路NRZ高速碼型發(fā)生器輸出信號后，經(jīng)過無源的射頻器件（即通過衰減器和合成器）來合并成一路PAM4信號，PAM4應用出現(xiàn)早期到目前主流的PAM4信號發(fā)生器都是延用這種方式。

該方法具體實現(xiàn)是依靠NRZ碼型發(fā)生器輸出2路碼速率完全一致的NRZ信號，通過高頻電纜連接到外部的無源寬帶合成器，調(diào)節(jié)兩路信號的相位，使之初始相位完全相同，再調(diào)節(jié)衰減器，其中一路的幅度為滿幅度（作為PAM4 的msb），另一路為半幅度（作為PAM4的lsb），合成后即可將2路雙電平的NRZ的信號合并為一路四電平的PAM4信號。從構架上看，它其實是2路NRZ的碼型發(fā)生器合并而成，不可避免的存在一些限制。下圖是一個雙通道的NRZ碼型發(fā)生器產(chǎn)生PAM4的圖例。

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性能的影響：2路NRZ輸出接到寬帶功率合成器后，由于信號衰減，性能不可避免的會受到影響，例如抖動、上升時間、由于線性度不好導致的額外噪聲。在不同的速率下，為了保證2路NRZ輸出初始相位一致，每次總是需要連接到示波器進行繁瑣的de-skew校準。合成后的PAM4碼型發(fā)生器指標會嚴重的惡化。

功能的影響：對于PAM4碼型發(fā)生器而言，為了補償高頻衰減，去加重均衡幾乎是必備的需求，在所有的高速串行標準中也都有相應的要求。對于用2路NRZ碼型發(fā)生器合成PAM4的方法而言，即便額外選件支持去加重均衡，也沒有一個簡單易行的轉換方法把每一路的NRZ輸出的均衡直接轉化為PAM4的均衡。 如果實際應用中希望控制PAM4的msb和lsb的均衡，需要連接到具備PAM4測量功能的示波器，進行非常繁瑣的校準。

使用的影響：測試環(huán)境的構建上相對比較復雜，因為首先需要時鐘合成器配合2路獨立的NRZ高速碼型發(fā)生器，加上外部的高頻相位匹配電纜和功率合成器等附件，通過一臺傳統(tǒng)的臺式28Gbps的NRZ碼型發(fā)生器要構建一個單通道的具備去加重均衡功能的PAM4信號發(fā)生器需要至少2個通道都具備均衡功能，并且需要配合價格不菲的具備PAM4測量功能的高帶寬示波器來進行校準。下圖是一個傳統(tǒng)的2通道NRZ碼型發(fā)生器通過外圍硬件配合產(chǎn)生PAM4的單路輸出功能。

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2）2路NRZ碼型發(fā)生器有源合成1路PAM4碼型發(fā)生器

除了上面提到的通過無源寬帶合成器產(chǎn)生PAM4輸出以外，還可以基于數(shù)模轉換器實現(xiàn)PAM4信號發(fā)生器。通過2路NRZ碼型發(fā)生器，輸出到一個2位的數(shù)模轉換器中去生成pam4信號。在這種情況下DAC轉換器的作用類似于一個PAM4的有源合成器。這種方式是通過有源電路來實現(xiàn)，一般是一個外部供電的盒子。這種方式對比第一種方式的優(yōu)點是由于是有源電路，輸出帶寬高，上升時間快。但是從構架上和第一種方法完全一致，所以上面第一種方法列出的所有限制同樣存在（諸如不支持均衡、需要繁瑣de-skew校準等）。另外由于是通過數(shù)模轉換器的有源電路實現(xiàn)，2路NRZ的定時延時控制、每一個msb和lsb的電平控制也需要連接到示波器進行額外的外部校準。

3）基于AWG的PAM4碼型發(fā)生器

通過任意波形發(fā)生器AWG產(chǎn)生PAM4輸出，PAM4信號產(chǎn)生的原理和上述的有源DAC的方式類似，只不過一般情況下AWG是一個內(nèi)置高速DAC的通用的信號源，可以非常靈活的產(chǎn)生各種調(diào)制信號，例如通信用的QAM信號，或者PAM4、PAM8信號。

從性能上而言，AWG產(chǎn)生的PAM4信號并不是實際高速串行電路的實現(xiàn)方式，所以在很多信號特性上需要額外的帶寬要求和濾波要求，以達到高速串行通信的信號產(chǎn)生要求，信號的抖動和噪聲參數(shù)由于是通過DA來產(chǎn)生，會惡化的比較厲害。由于AWG是通過編輯內(nèi)部數(shù)據(jù)序列存儲空間來定義波形的形狀，而沒有和實際的PAM4編碼完全對應，所以針對對于PAM4的信號產(chǎn)生和編碼的設置非常復雜，需要大量的內(nèi)存進行轉換，如果AWG沒有專有的PAM4軟件配合很難使用在PAM4的信號產(chǎn)生應用上。

一般基于AWG的PAM4信號產(chǎn)生的設置都比較復雜，并且最大的設置障礙是不直觀，無法直接方便的更改速率和碼型。對于很多實際應用中的發(fā)送均衡等基本要求，通過AWG來產(chǎn)生非常復雜和繁瑣。從成本上看，因為AWG產(chǎn)生的PAM4輸出要求高帶寬和高采樣率，并且專門產(chǎn)生PAM4碼型的軟件配合，相對其他的方式每通道的成本也非常昂貴。 在PAM4作為高速通信編碼的早期，由于沒有其他的方案，基于AWG的PAM4是一個折中的辦法，隨著PAM4設計日益普及，由于AWG產(chǎn)生的PAM4信號電特性和實際的高速串行電路有差異，而且基礎硬件和選件的價格昂貴，目前已經(jīng)被逐漸替代。

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編輯

4）直接PAM4輸出的碼型發(fā)生器

誤碼儀直接內(nèi)置PAM4信號生成器的方法。由于上述3種PAM4的碼型發(fā)生器存在諸多性能、功能的限制以及構建測試環(huán)境的復雜和繁瑣，最新的PAM4誤碼儀采用直接內(nèi)置PAM4信號發(fā)生器的精簡構架，其核心是去除各種外部的電纜和校準，簡化硬件環(huán)境，把時鐘合成器，多通道的NRZ碼型發(fā)生器，以及復雜的NRZ轉換為PAM4的高頻硬件，所有的分離器件直接集成在一個機身內(nèi)，并且通過內(nèi)置校準對于不同的速率實現(xiàn)自動的校準和補償。

性能上的優(yōu)勢：對于PAM4的信號發(fā)生器而言，因為沒有外部的各種無源或者有源設備以及電纜匹配和衰減導致的信號惡化，可以提供非常好的信號完整性。并且可以針對使用需求無需任何外部器件輕松實現(xiàn)1通道到多通道的配置。

下圖是中星聯(lián)華科技（北京）有限公司XBERT系列PAM4誤碼儀采用直接PAM4輸出的方式捕獲的56GbpsPAM4眼圖，除了連接方便以外還提供了非常好的信號完整性。

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下圖是對于同一個通道輸出在28Gbps下的NRZ編碼時的眼圖結果。

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功能上特點：直接PAM4輸出的碼型發(fā)生器，可以在不影響信號完整性的情況下輕松實時的切換PAM4或者NRZ輸出功能，無需使用人員針對PAM4來構建繁瑣的校準環(huán)境。 當使用PAM4碼型發(fā)生器功能的時候，用戶無需考慮任何NRZ有關的設置，可以直接設置經(jīng)過校準的PAM4發(fā)送均衡。對于PAM4碼型發(fā)生器幅度和均衡的控制非常簡單直觀。下圖是一個進行實時PAM4和NRZ實時切換時捕獲的眼圖疊加顯示效果。

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由于單臺PAM4碼型發(fā)生器集成了所有必須的關鍵模塊，對于測試環(huán)境的構建和設置非常簡單。無需外接的均衡器以及有源或者無源的PAM4合成器，更不需要各種高頻電纜連接這些分離原件。

PAM4碼型發(fā)生器特點總結

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下面的表格總結了上述四種PAM4誤碼儀下信號產(chǎn)生的不同方式以及特點。

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PAM4碼型發(fā)生器

關鍵指標概覽

對于一個PAM4碼型發(fā)生器的差分輸出，一般有幅度、信噪比、線性度、上升時間/下降時間、眼圖、抖動分量以及均衡能力等評估指標。在目前主流的各種高速串行總線標準（OIF-CEI, 200G/400G以太網(wǎng)）中，都明確列出了對于發(fā)送端需要滿足的指標 其中眼圖和抖動是最重要的指標。下面列出了中星聯(lián)華科技（北京）有限公司XBERT系列的PAM4碼型發(fā)生器的輸出指標。

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PAM4誤碼儀

文章摘自中星聯(lián)華科技知乎官方賬號

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