AN 835: PAM4信令基础

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ID 683852
日期 3/12/2019
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1. 引言 2. CEI-56G-MR发送器 3. CEI-56G-MR-PAM4接口详细信息 4. CEI-56G-MR-PAM4接收器 5. PAM4链路案例研究 6. 中距离(MR) PAM4系统设计研究 7. 词汇表和首字母缩写词 8. 参考文献 9. AN 835：PAM4信令基础的文档修订历史
1. 引言 x
1.1. NRZ基础 1.2. 使用PAM4编码方案的标准 1.3. CEI-56G互连范围和应用距离
1.3. CEI-56G互连范围和应用距离 x
1.3.1. VSR (Very Short Reach) Chip-to-Module (VSR(很短距离)芯片到模块) 1.3.2. MR (Mid-Range Reach) - Chip to Chip Within a PCBA(MR(中程距离)-PCBA中的芯片到芯片) 1.3.3. LR (Long Reach) - Chip to Chip Across a Backplane/Midplane or a Cable(LR(长距离)-背叛/中板或者电缆上的芯片到芯片)
2. CEI-56G-MR发送器 x
2.1. 命名约定 2.2. 眼高(EH6)和眼宽(EW6) 2.3. 眼线性(Eye Linearity) 2.4. 电气特性 2.5. PAM4抖动方法 2.6. TX预加重方法
2.4. 电气特性 x
2.4.1. 发送器特征 2.4.2. 发送器回波损耗(Transmitter Return Loss) 2.4.3. 发送器线性(RLM) 2.4.4. 信噪比(SNDR)
3. CEI-56G-MR-PAM4接口详细信息 x
3.1. COM介绍 3.2. 标准通道规范COM 3.3. 信息通道插入损耗 3.4. 信息通道回波损耗
3.1. COM介绍 x
3.1.1. 背板测量
4. CEI-56G-MR-PAM4接收器 x
4.1. 分析PAM4信号的挑战 4.2. PAM4接收器体系结构 4.3. 均衡技术 4.4. CEI-56G-MR-PAM4接收器详细信息
4.2. PAM4接收器体系结构 x
4.2.1. 模拟与数字接收器 4.2.2. Slicer(限幅器) 4.2.3. 时钟和数据恢复(CDR)
4.4. CEI-56G-MR-PAM4接收器详细信息 x
4.4.1. 电气特性 4.4.2. 接收器输入回波损耗 4.4.3. 接收器干扰容限 4.4.4. 接收器抖动容限
5. PAM4链路案例研究 x
5.1. OIF_Stressed 5.2. OIF_Compliant
5.1. OIF_Stressed x
5.1.1. 通道特征 5.1.2. 使用Advanced Link Analyzer的OIF_Stressed PAM4链路仿真
5.2. OIF_Compliant x
5.2.1. 通道特征 5.2.2. 使用Advanced Link Analyzer的OIF_Compliant PAM4链路仿真
6. 中距离(MR) PAM4系统设计研究 x
6.1. 系统功率 6.2. 系统成本 6.3. 电路板空间 6.4. 结论
1. 引言
2. CEI-56G-MR发送器
3. CEI-56G-MR-PAM4接口详细信息
4. CEI-56G-MR-PAM4接收器
5. PAM4链路案例研究
6. 中距离(MR) PAM4系统设计研究
7. 词汇表和首字母缩写词
8. 参考文献
9. AN 835：PAM4信令基础的文档修订历史

1.1. NRZ基础

以太网是一个计算机网络技术的集合，在局域网(LAN)，城域网(MAN)和广域网(WAN)中得到最广泛的使用。

自从1980年投入商业应用和1983年首次标准化以来，以太网一直通过即时数据传输来满足对互联世界不断增长的需求。100G以太网的开发目前正在进行中。实现更高的以太网速度(如200G/400G)需要在技术上有重大突破。有两种编码方案可供参考：Non-Return-to-Zero (NRZ)，也称为Pulse-Amplitude Modulation 2-Level (PAM2)和Pulse-Amplitude Modulation 4-Level (PAM4)。由于NRZ的Nyquist频率较高，从而导致与通道有关的损耗较高，因此PAM4已成为更可行的解决方案。

NRZ是一种调制技术，有两个电压电平来表示逻辑0和逻辑1。PAM4使用四个电压电平来表示两位逻辑(11、10、01和00)的四个组合。有关PAM4命名约定的详细信息，请参考Standards Using PAM4 Coding Scheme。每个调制方案都有一组独特的优点和缺点。

图 1. NRZ (PAM2)和PAM4编码与NRZ相比，PAM4的优点是于：在相同的波特率(28 GBaud PAM4 = 56 Gbs)下，PAM4有一半的Nyquist频率和两倍的吞吐量，因为每个电压电平(“symbol”)代表两位信息。PAM4案例不是灰色编码的。
图 2. NRZ和PAM4的功率谱密度在56 Gbps下，PAM4所要求的Nyquist频率是NRZ所要求的Nyquist频率的一半。

PAM4 fNyquist = 56/4 = 14 GHz (图 1)

NRZ fNyquist = 56/2 = 28 GHz (图 2)

一半的Nyquist频率具有很多优点。其中包括：使数据密度加倍；使用相同的过采样率实现更高的分辨率，将相同的总噪声功率分布在更宽的频率上，从而降低带宽中的噪声功率。但是也存在一些缺点。PAM4信号的振幅是类似NRZ信号振幅的1/3。因此，PAM4信号具有较差的信噪比(SNR)。由于PAM4信号中电压电平之间的间隔较小，因此PAM4信号更容易受到噪声的影响。当把所有的非线性影响考虑在内时，SNR损耗约为11 dB。

方程 1. SNR损耗与NRZ信号相比，PAM4信号的SNR损耗约为9.5 dB
SNR⁢ loss =20 ×log⁡1013⁢≃−9.5⁢ dB

与支持NRZ的收发器相比，一个实现PAM4的收发器由于需要更高级的均衡功能，因此会更复杂并且功耗更高。由于这种复杂性，您必须确定在什么情况下使用PAM4会比NRZ更有利。

在一个符合IEEE 802.3的样例背板上，Nyquist频率为14 GHz时的插入损耗约为33.35 dB。

对于28 GHz的Nyquist频率，相同背板显示大约62 dB的插入损耗。

这些插入损耗数清楚地表明，与使用PAM4时相比，使用NRZ均衡背板要更具挑战性。

如SNR损耗的公式所示，使用PAM4会对SNR造成损失(penalty)。但是，这一损失大大低于(相同背板所需要均衡的)11个额外的dB。设计人员可以尝试使用更好的材料来减少插入损耗。但是，这种方法对于已经在现场部署的旧系统是不可能的。

图 3. 通道插入损耗对比Nyquist频率

Intel® Stratix® 10系列集成了下一代收发器技术，以实现当今的大型数据中心，云计算和无线应用，这些应用要求以更低的功耗和最低的每比特成本来增加带宽。具有57.8 Gbps PAM4和28.9 Gbps NRZ的双模收发器可实现下一代高速互连，同时将兆位数据速率下的插入损耗和串扰降至最低。新标准同时支持芯片对芯片，背板和直接连接电缆应用的光接口和铜接口。

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