满足PAM4信号分析要求的bert进展

随着5G网络的推出和大数据应用的部署，数据中心和网络流量呈指数级增长。为了满足这些需求，物理层设备需要支持更快的传输速度、更大的数据容量和有保证的信号质量。这些因素使得准确、高效的信号完整性分析对设计工程师来说更加重要和困难。

下一代400gbe标准已被批准，以满足这些先进的市场条件。它使用PAM4指定更快的速度，以达到53 Gbaud。由于其额外的传输容量，PAM4被广泛用于200gbe / 400gbe实现。由于PAM4的三只眼的振幅都是NRZ的三分之一，因此接收电路需要足够的输入灵敏度，以及前向纠错(FEC)功能[１]．

测试解决方案需要提供改进的性能，以有效地验证为新一代通信设计的产品。误码率测试仪(bert)是信号完整性工程师确保产品性能符合行业标准和解决PAM4设计考虑的关键工具。今天的bert必须具有高灵敏度，生成高质量的波形以进行精确的抖动分析，以及有效测试PAM4设备和系统的其他功能。

PAM4带来测试挑战

要对PAM4器件进行准确的分析，需要三个眼图。这是因为PAM 4信号有四个级别。由于噪声分别影响每只眼睛，PAM4信号对振幅噪声的敏感性至少是NRZ信号的三倍。

由于眼高降低，PAM4更容易受到噪音的影响。对于相同的数据吞吐量，PAM4只需要NRZ一半的带宽。在相同的电源电压下，误码率下的眼高为NRZ的33%，由于波特率为一半，损耗更低(见图1)。PAM4由于波特率为一半，单个眼宽为NRZ的200%。它可以通过非相邻级别之间的转换来减少。

测试程序

PAM4的每个眼图都可以采用与NRZ生成的眼图相同的方法进行分析。对于下、中、上眼图，分别根据误码率定义眼宽和眼高。然而，4阶PAM4的信噪比(SNR)比传统的2阶NRZ格式低约10 dB。由于200 GbE /400 GbE的信噪比随着传输速度的增加而恶化，因此很难实现与NRZ格式相关的自然无错误传输。正是由于这个原因，FEC传输方法是必要的。

为了保证器件性能，必须对PAM4信号进行误码率和波形质量评估。为了获得最准确的分析，需要高达64 Gbaud的高质量波形和高输入灵敏度。

抖动测试要求

误码率并不是唯一需要执行的信号完整性测试，以验证设备性能是否符合要求。其他关键测量包括串扰和抖动公差测试。使用抖动应力信号的纠错测试在PAM4信令(如400gbe)中尤为关键。

IEEE802.3以太网标准规定了进行抖动容差(JTOL)测试的程序。例如，在400gbe 802.3bs 120E 3.3.2主机应力输入测试中，如图2所示，JTOL测试设置指定了随机抖动(RJ)、有界不相关抖动(BUJ)和正弦抖动(SJ)的印象。

为了测试被测设备(DUT)的JTOL, BERT需要在Reed Solomon前向纠错(RS-FEC)模式上应用诸如SJ、RJ和BUJ的应力。BERT通过根据DUT内置FEC计数器值添加SJ并相应地改变SJ频率来执行JTOL测试。

性能需求

为了最准确地评估实际DUT性能，需要生成高质量的波形。波形质量应具有约170 fs(rms)的低固有抖动和约8.5 ps的快速Tr/Tf，以进行116 Gbit/s PAM4无误差测量。这将有助于获得具有开放3眼波形的PAM4信号支持的高再现性测量(见图3)。

还有额外的性能需求来满足PAM4验证。BERT的脉冲模式发生器(PPG)输出线性度需要控制，因此每只眼睛的输出电平可以改变。为了精确分析，还需要输出具有可变电平失配比(RLM)的PAM4波形，并且具有良好的再现性。

为了实现116 gbit /s (58 Gbaud) PAM4信号的无误码率测量，BERT中的PAM4误码器(ED)必须具有高灵敏度。具有23 mV @26 Gbaud和36 mV @53 Gbaud灵敏度性能的BERT可产生高精度的误码率测量，使工程师更容易对PAM4设备进行故障排除，否则将难以分析。此外，如果能够以

FEC测试

如前所述，信噪比对PAM4信号的影响越来越大，需要进行FEC。FEC允许电信号的最大未校正误码率增加到10-6。对于光传输来说更是如此。这使得fec前性能下降到BER ~ 10-6可以快速测量。

早期的bert允许添加E-3到E-12的误差来确认信号行为。由于之前的误差加法函数按照指定的误码率以固定的间隔插入误差，所以信号经过FEC处理后的所有误差都得到了修正。为了弥补这种情况，高级bert现在可以生成FEC 10位符号单元的虚拟模式，这些符号单元被分成528或544个码字单元。一个专用函数通过指定每个码字7或15个符号错误的数目来插入可纠正和不可纠正的错误。

即使在BER结果相同的情况下，FEC环境下的可校正和不可校正结果也存在差异。为了抵消误差分布引起的这种动态，工程师需要对FEC解码后的结果进行评估。纠错程度必须基于每个标准定义的多车道(通常是4车道或8车道)FEC模式来测量。因此，高性能bert必须为400gbe、200gbe、100gbe、50gbe和25gbe生成定义的RS-FEC模式。

在使用跨所有车道的逻辑交叉测量多车道FEC传输时，有一些考虑因素。原因是FEC处理是在物理信号上执行的，因此很难通过测量每个通道的误码率来评估FEC校正是否可能。工程师必须在多通道上传输FEC模式，然后评估FEC解码结果，以获得高度的设计置信度。

结论

为满足5G和大数据的需求，部署400-GbE业务，将PAM4引入到设备和系统设计中。测试解决方案必须能够进行准确的53.125 gbaud 4和8通道PAM4误码率测试，以评估400-Gbit/s和未来的800-Gbit/s PAM4收发器和设备。新一代bert设计用于测量高速接口，并支持在高达116 Gbit/s的速度下对PAM4接口进行更精确的误码率评估。这些工具产生高速PAM4，实现业界领先的高输入灵敏度性能。

参考文献

1. 刘,凯西。什么是FEC ?我如何使用它?信号完整性期刊．//www.lambexpress.com/articles/1284-what-is-fec-and-how-do-i-use-it