PAM-4是一种用于电背板上的高速SerDes链路的信令技术，需要提供每车道大于56 Gbps的数据速率。它能够在不增强硬件通道的情况下提高数据速率，具有显著的硬件成本优势。新的发射机和接收器技术已经显示出PAM-4端到端链路的可行性。因此，该技术现在正被认真考虑用于下一代OIF和IEEE信号标准。为了充分利用PAM-4信令的优势，必须建立和验证一个新的测量和仿真生态系统。
理解生态系统
PAM-4生态系统包括发射器(Tx)和接收器(Rx)之间的连接通道。SERDES通道组件必须经过验证才能与这种新的多级信令一起使用。IEEE和OIF标准为输入输出(IO)连接器和布线提供了频率相关的损耗和串扰建议，但与实际的睁眼统计数据没有直接关联。这可以通过端到端链路测量或通道模拟来完成。
对于端到端链路测量，PAM-4信号的生成是通过组合离散组件或使用最先进的任意波形发生器(AWG)来完成的。测量装置包括一个市售的PAM-4任意波形发生器，一个物理高速链路组件和一个数字示波器来捕获数据。数字采样示波器接收器提供硬件时钟和数据恢复(CDR)，以及各种软件均衡技术(CTLE, DFE, FFE)，用于在使用有损耗通道进行测量时打开眼睛。开云体育官网登录平台网址示波器测量还包括基本波形分析的后处理技术。使用IBIS-AMI方法对PAM-4信号进行模拟，并使用IBIS-AMI信号发生器、s参数通道模型和用于接收机数据恢复的远程访问软件。
然后使用这个通用的PAM-4端到端链接来验证模拟和测量之间的相关性。像眼高、眼宽和误码率(BER)这样的基本测量为与模拟的相关性提供了一个很好的起点，尽管高级信噪比(SNR)分析通常提供了更快的质量检查。
的物理链路
为了讨论的目的，我们使用QSFP28 IO连接器和电缆来演示关联模拟和测量的过程，以验证在PAM-4 SERDES通道中使用的组件。QSFP28板连接器是一种四角小形状因子可插连接器，每通道带宽为28 Gbps。考虑中的物理链路使用直接连接的铜电缆。该电缆是纯被动的，因为它不做任何数据处理，放大或信号均衡。它只是传输数据。这种电缆的使用在很大程度上取决于完整链接。行业标准描述了这一端到端链路，并给出了电缆组件、板连接器和模块合规板(mcb)内允许的损耗。较厚的导体尺寸导致较低的高频损耗，因此，较长的电缆长度。
图1。QSFP28端到端链路采用与行业标准一致的模块遵从板
被测端到端链路或设备(DUT)用于验证PAM-4多级信令的模拟和测量之间的相关性，如图1所示。波形发生器通过链路传输均衡波形，示波器在另一端捕获数据，可能采用额外的均衡技术来实现睁眼图。采用的四通道双对电缆组件长3米，导体尺寸为30 AWG。
图2。测量设置的引脚分配
在mcb上，所有28 gbps高速连接都可以通过2.92 mm连接器访问。图2显示了用于测量的两个Tx到Rx差分对的QSFP+引脚编号。这种选择允许远端串扰分析。图3显示了仅使用简单直通连接的MCB的插入损耗测量曲线，该连接是QSFP28信号路由轨迹长度的两倍。数据显示无谐振行为超过1.5倍的14 GHz奈奎斯特时钟速率(21 GHz)，验证了PCB材料的特性和2.92 mm连接器的应用。
图3。MCB上直通线的插入损耗曲线(到连接器的导线长度的两倍)
测量DUT的性能
为了检查无源电缆组件的高速性能参数，可以使用各种类型的设备，如矢量网络分析仪(VNA)、时域反射/透射率(TDR/TDT)或误码率测试仪(BERT)。每种设备及其底层测量技术都有其自身的优缺点。
在这种应用中，电缆组件与使用的28 Gbps数据速率相比非常长。因此，在测量DUT时可能会记录高损失。这些损失只能由具有足够动态范围的设备捕获，例如VNA。选取带宽为67 ghz的VNA采集被测链路的散射参数。三米30 AWG电缆组件的两对差分损耗(见图2)如图4所示。
图4。差动插入损耗- 3米30 AWG
通道的s参数行为数据以标准的Touchstone 1.0格式存储，该格式可用于所有高端VNA，并可轻松导入到通道模拟工具中。Touchstone文件是一种ASCII文本文件，用于记录线性设备(如无源电缆组件)的n端口网络参数。导出的数据文件为s8p文件，其中包含远端串扰攻击者数据。然而，对于初始验证测试，只考虑关闭所有触发器且路径以50欧姆终止的单一通通道。因此，该文件被简化为s4p文件，以便在通道模拟中使用。
模拟PAM-4信号
对于PAM-4链路模拟，所使用的AMI模型被创建来表示Tx和Rx行为。每个模型由模拟部分和算法部分组成。在Tx模型中，模拟部分捕获输出阻抗，算法部分捕获Tx均衡。在Rx模型中，模拟部分捕获输入负载，算法部分捕获Rx均衡和CDR。对于这个应用程序，Tx均衡器是一个3-tap FFE，而Rx模型实现了CTLE, DFE和CDR来表示由示波器执行的数据处理。
假设Tx模拟模型、物理通道和Rx模拟模型都是线性的、时间无关的，可以用一个模拟通道的组合脉冲响应表示，记为hAC。在模拟过程中，代表PAM-4刺激的四级方波被传递到Tx算法模型中。将Tx输出信号与hAC进行卷积，生成Rx算法模型的输入。Rx模型返回均衡信号和CDR输出，用于构造PAM-4眼和计算符号错误率(SERs)。这个模拟流程如图5所示。
图5。PAM-4 IBIS-AMI通道模拟流程
为了分析PAM-4链路在不同信号水平下的性能，计算了三个眼睛的SER。对于上眼、中眼和下眼，分别在符号3和2、2和1、1和0之间测量SER。为每只眼睛生成一组浴盆曲线和SER轮廓。
测量PAM-4信号
现在我们了解了测量设置，下一步是查看在PAM-4信令应用程序中使用的通道组件的特性。目的是验证一个也可以与模拟相关的测量设置。这听起来可能很简单，但由于缺乏校准和参考平面的选择，在千兆数据速率下，这一任务相当具有挑战性。解决方案是利用模拟和测量来交叉检查，并确保测量和模拟都是可信的。
测量过程如图6所示。首先要考虑的是到DUT的连接，在我们的例子中是包括mcb的QSFP28电缆组件。一个PAM-4通道将有显著的损失在较高的数据速率，在较低的信噪比与多电平信号带来相同的电压波动。此外，同轴电缆固定到DUT的损失必须校准出来。利用仪器校准技术对夹具电缆的损耗进行了校准。这消除了模拟方面的任何嵌入/去嵌入步骤，并将模拟和测量之间的变量数量最小化。数学上有“去嵌入”测量夹具影响的稳健方法，但在实践中，有许多基本的采样理论，域转换和公差问题，可以增加误差项时，比较模拟和测量。
图6。测量流
下一个挑战是验证模拟中使用的Tx信号与测量中使用的信号相匹配。在这里，简单有重要的价值。理想情况下，人们会想要一个用于模拟的发射机模型，然而，对于PAM-4这不是一个简单的任务。PAM-4是一种具有专有设计的新技术，没有标准化的生成方法。因此，实际硬件的模型很少存在。如果使用的是专有的PAM-4供应商模型，则不能保证通道对于不同供应商模型的行为相同。PAM-4 Tx信号还必须包括复杂的均衡，如前馈均衡器(FFE)，以补偿PAM-4信号在奈奎斯特频率的高损耗，并在Rx打开眼睛。在Rx处打开眼睛允许CDR锁定信号进行测量。
为了确保相关应用程序的测量-仿真相关的一致性和灵活性，在仿真中生成的Tx输出波形被保存到一个文件中，加载到AWG上并传输到通道中进行测量。使用AWG，这种方法不仅保证了测量和模拟中使用的完全相同的通道输入信号，而且还允许模拟定义一个简单的IBIS AMI PAM-4 Tx模型，该模型在位模式的上升和下降边缘上应用了3 tap FFE。模型的实际边缘可以是理想的，因为这不是一个实际的设备。在Tx AMI模型的输出端有一个外部集总电容，提供了一个可调的上升时间。
仿真使用这个简单的PAM-4 Tx模型设置上升沿和FFE，用于测量QSFP28电缆组件。上升时间的设置必须考虑给定数据速率的典型值，并且在AWG硬件的控制范围内。在这里，简单是关键。从完全在AWG控制范围内的缓慢上升时间开始，可以减少仿真中使用的简单Tx模型无法捕获的反射/振铃。我们的愿望是让AWG复制模拟的波形，而不是在其控制的极限。AWG校准特性用于校准夹具布线，并在本例中在Rx或示波器上提供所需的波形。一个简单的时钟模式可以用来修正上升和下降边缘率、水平振幅、振幅噪声和随机定时抖动的微小差异的模拟。
下一个决定是使用实时示波器还是等效的时间采样示波器。实时示波器可以在非常高的采样率下捕获实际的电压与时间波形。这是非常有用的，当打开PAM-4硬件第一次捕捉波形，看看需要什么均衡，只意识到接收的眼睛是完全关闭的。然而，与采样示波器可以提供的相同带宽相比，高速实时示波器可能相当昂贵。采样示波器需要一个重复的图形，这样它就可以在不同的时间点上以高保真度持续采样波形，从而准确地再现完整的图形。等效时间采样示波器具有较低的信噪比和专注于测量重复模式的精度，这使得它非常适合于描述无源通道组件并与仿真进行比较。
为了简化模拟中采样示波器上的Rx与Rx的相关性，可以利用仪器的校准特性。测量示波器可以用来模拟给定的带宽和CDR拓扑结构，从而可以在仿真端使用通用的Rx AMI模型。示波器可以设置为模拟一个简单的一阶锁相环路(PLL)，并根据给定的数据速率调整环路带宽。在12.5 Gbps (6.25 GBaud)时，环路带宽设置为3.25 MHz。在25gbps时，它被设置为7.5 MHz。采样示波器上的接收带宽可以设置为4th为平群延迟订购贝塞尔，以避免振幅波动从仪器的带宽限制。
现在已经定义了AWG Tx, QSFP28 DUT和等效时间采样示波器Rx，可以执行实际的测量。从一个没有均衡的干净的PAM-4信号开始，经过3米长的QSFP28电缆，即使在12.5 Gbps (6.25 GBaud)的较低数据速率下，也可以确定眼睛是完全闭合的。因此，必须为PAM-4通道测试添加均衡。通过仿真可以很容易地优化QSFP28电缆损耗下的3分接头FFE。然后将此均衡Tx波形下载到AWG，并在示波器上测量，以验证模拟的FFE均衡Tx与测量Tx刺激相匹配。对振幅设置、噪声振幅和随机抖动的额外调整可以添加到模拟中，以考虑与生成的波形的微小差异。
接下来，将校准的PAM-4 FFE校正刺激连接到QSFP28 3米DUT上，如图7所示，在接收器上观察所需的睁眼，包括模拟和测量。图8显示了模拟眼图和测量眼图在Rx侧的直接对比。请注意，对于第一个测试用例，在PRBS7模式下，在12.5 Gbps (6.25 GBaud)下的模拟和测量非常一致。
图7。模拟的Tx刺激(左上)和一个3 Tap FFE被导出到AWG以生成测量的Tx刺激(左下)。在右下的示波器Rx处经过DUT通道后接收到的信号与右上的模拟Rx进行比较。
图8。波形在Rx侧包括DUT与3 tap FFE;在1A通道上测量(上)，在2A通道上模拟(下)
最后，必须确定量化测量和模拟之间相关性的最佳方法。传统上，测量数据总是在模拟环境中进行后期处理;然而，现代仪器现在包含了快速测量和分析捕获波形的最先进的工具。在仪器上比较测量与模拟可以提供测量与模拟的瞬时比较，使模拟数据能够以与生产中最终通过/失败测量相同的方式显示。
从这里开始，使用测量眼宽和眼高设置来比较模拟和测量是一个简单的任务。在较慢的数据速率下对测量相关性的模拟验证了该方法，并确保它可以应用于所需的更高数据速率和增加的信道损耗。
在仿真端模拟FFE校正波形，然后在测量端使用AWG生成的精确波形的能力为PAM-4 SERDES通道的仿真相关性提供了出色的测量。这个过程成功的关键是开始简单，确保模拟和测量之间的变量最小化。为了验证该方法，甚至降低了数据速率。然后，可以提高数据速率，并添加额外的均衡来补偿更高的损失。通过分析PAM-4端到端链路的通用仪器生成和测量案例，工程师现在应该对将多电平信令的模拟与测量相关联的关键要素有了更清晰的理解。
