新興光通訊將從NRZ調變技術推進到PAM4，在每個符號中編碼兩個位元，提升傳輸速率兩倍以上，本文將介紹50Gbps以上光學和電學PAM4訊號的技術。從相容性觀點來看訊號分析，以及對零組件和系統的除錯測試。
許多資料速率為50Gbps或更高的應用正採用四級脈衝振幅調變(PAM4)。PAM4訊號在每個符號中編碼兩個位元，僅使用邏輯模擬不歸零(NRZ)調變方案的一半頻寬但以相同的資料速率進行傳送。
以一半頻寬執行可避免因非均勻通道頻率響應所造成的損耗和符號間干擾的嚴重影響，但PAM4的優勢會伴隨一些代價：四級系統的複雜性、12個不同的符號轉換，每個都有自己的壓擺率，以及SNR(訊號與雜訊比)下降至少為三倍，電壓為9.5dB，而光功率則為4.7dB。
在大多數情況下，我們會導入前向錯誤校正來解決SNR下降現象。FEC提供了所需的效能餘裕，可將最大允許原始誤碼率(BER)從1E-12提高至2.4E-4。在如此高的BER下，即時示波器能在沒有近似或外插法範圍的情況下量測BER，這些範圍曾被保留用於昂貴且不靈活的BER測試儀。
本文將介紹50Gbps以上光學和電學PAM4訊號的技術。主要內容從新興的50/100/200/400GbE(千兆乙太網路、IEEE 802.3bs和802.3cd)和OIF-CEI 4.0(光互聯網論壇-通用電氣介面)開始，從相容性觀點來看訊號分析，以及對零組件和系統的除錯測試。
在下一節中，將簡要介紹PAM4標準及其拓撲結構，第三節則討論除錯光學和電氣訊號的測試組態，在第四節中，將討論關鍵的PAM4光學和電學相容性測試。
PAM4標準與拓撲結構
圖1顯示了PAM4波形和眼圖。四個PAM4符號是訊號的功率或電壓位準。符號通常分別為S0、S1、S2、S3(從最低到最高位準)，對於電氣訊號也可以描述為-1、-1/3、1/3、1，後者表示四個振幅位準所需的均勻間隔。三個眼圖分別為下、中和上。
圖1 PAM4波形(上)和眼圖(下)
由於每個PAM4符號會攜帶兩個位元，因此一個符號錯誤便可能導致一個或兩個位元錯誤。格雷(Gray)編碼透過針對S2中的位元對11和S3中的位元對10進行編碼，來協助SER(符號錯誤率)收斂至BER，但不應假設SER和BER相等。
PAM4訊號正同時在單通道和多通道系統中部署。單個26GBd PAM4訊號可在單模SM或多模MM光纖上傳輸，如圖2a所示。多模光纖每個限於一個波長，並且由於模態散射而具有約100m的有限範圍。為了達成更高的資料速率，可傳輸數個光學PAM4訊號，每個光學訊號均在其自己的SM或MM光纖上傳輸，如圖2b所示。或者，分波多工(WDM)系統將單獨的光學PAM4訊號(每個都有自己的波長)組合至單個SM光纖上，如圖2c所示。
圖2 (a)單通道MM光纖組態；(b)多通道組態，每MM或SM光纖具有一個波長；(c)多通道WDM配置，所有波長多工處理至一條SM光纖上。
表1總結了PAM4 IEEE 802.3bs和802.3cd(GbE)，OIF-CEI 4.0和64GFC組態的屬性。這些光學和電氣標準涵蓋了跨光纖和電氣晶片至晶片、晶片至光學模組，以及PCB(印刷電路板)上的模組至晶片傳輸(包括必要的連接器)等光學訊號傳輸應用。
表1 某些PAM4 50、100、200和400GbE，OIF-CEI 56G和64GFC配置的屬性
請注意右欄中的BER要求。針對光學訊號的預FEC BER要求BER≤2.4E-4應確保校正的後FEC BER小於1E-13。FLR(訊框遺失率)是有效的64個八位元訊框與接收到的訊框總數比例；FLR是postFEC的要求。
對於電氣訊號，OIF-CEI標準針對極短距離(VSR)和中等距離(MR)訊號要求預FEC BER≤1E-6，針對長距離(LR)訊號則要求為1E-4，旨在確保後FEC BER≤1E-15。由於FEC無法校正長脈衝組錯誤，因此OIF-CEI會限制每1E20符號的最大允許脈衝組錯誤長度：VSR的最大脈衝組錯誤長度為15個PAM4符號，MR的為94個符號，LR則為126個符號。
除錯PAM4系統和收發器
根據技術標準的規定要求測試收發器的相容性，應確保其傳輸的任何訊號均可與其他相容的通道和收發器的任何組合相互操作。另一方面，診斷或除錯測試可揭示導致收發器出現故障或相容性測試失效的缺陷。
相容性測試和診斷測試之間的一個關鍵差異是相容性測試會在具有壓力測試碼型的代表性環境中挑戰訊號，所有通道均開啟以產生最大串擾，且透過相容性測試光纖或通道傳輸訊號。而在診斷測試中，較實用的方法是從簡單的情況開始，先讓一切均正常運作，然後分別導入增壓的碼型、通道和串擾，然後再一起找到問題。
測試設定和概念
圖3顯示了發射器測試的典型設定。在圖3a中，光學訊號透過產生散射(CD)的光纖傳輸，然後由配備有精密O/E(光電轉換)轉換器的示波器分析。得到的電壓波形必須是光功率波形的精確影像。
圖3 典型的(a)光學和(b)電子發射器測試設定
在圖3b中，電氣訊號透過相容性測試板傳輸，該測試板會導入符號間干擾(ISI)和損耗而影響發射器等化。執行時通常需要測試夾具將電氣訊號傳送至示波器。如果提供相關的S參數，示波器可嵌入相容性測試板的所需效果，和(或)解嵌入測試夾具所造成的不良效果。
相容性測試應在具有代表性的串擾環境中進行，每個通道均啟用並進行傳輸。為了防止測試通道和串擾干擾源之間的相關性，每個通道均應傳輸不同的碼型，或傳輸相同的碼型但相互移位至少31個UI，或者以些微不同的傳輸率運作。所有發射器均應使用相同的等化器設定進行操作。
參考接收器在除錯測試和相容性量測中所扮演的角色
示波器在發射器測試配置中同時作為測試儀器和參考接收器，如圖3所示。若高效能即時示波器具有低雜訊層、適合應用的頻寬、足夠的儲存深度，以及用於光學量測的線性低雜訊O/E轉換器，則示波器即可在沒有額外硬體的情況下複製幾乎任何接收器的效能，這使其具有足夠的靈活性，可執行各種除錯測試以及最複雜的相容性量測。
每個標準均規定了參考接收器的能力和回應，以滿足最低要求的效能要求。如圖4a中，用於400GbE光學訊號測試的參考接收器包括一個以一半的傳輸率使用-3dB頻寬的四階Bessel Thomson濾波器、一個具有4MHz頻寬和20dB/十進制滾降的時脈還原(CR)電路，以及5-tap前饋等化器(FFE)，且tap間隔一個符號週期。
圖4 (a)光學和(b)電氣參考接收器圖
圖4b中的電氣參考接收器包括CR以及三極、二零連續時間線性等化器(CTLE)，其可調整增益為1/2dB步進。用於電氣參考接收器的前端濾波器目前並沒有像為光學參考接收器規定的Bessel Thomson濾波器一般明確地定義。對於26GBd PAM4訊號的分析，建議使用33GHz示波器頻寬，平滑滾降至50GHz。
雖然標準規定了參考接收器的最低效能，但並未規定實際接收器應如何達到該效能。實際的PAM4收發器和SerDes實作通常會使用專有的類比或數位訊號處理(DSP)技術，這些技術超越了參考接收器的最低相容的濾波、CR和等化處理要求。
透過使用即時示波器，可以嘗試不同的接收器設計。例如，從受損的PAM4訊號中還原資料速率時脈比從NRZ訊號中還原CR更難。時脈會從訊號轉換的時序中還原；轉換過程越乾淨，CR越完整。當每個NRZ轉換在最小和最大功率或電壓位準之間擺動時，只有1/6的PAM4轉換在S0和S3之間擺動；PAM4訊號轉換的一半只跨越峰對峰值的1/3。透過簡單的使用者介面使用內建演算法，可以輕鬆配置鎖相迴路(PLL)或以DSP為基礎的CR設計，並找到從高度受損的訊號中還原時脈的方法。然後，可以使用擷取的時脈查看訊號，或匯出波形以進行離線分析。
同樣，可以嘗試不同的等化方案，分析等化前後的訊號，確定CTLE的最佳開眼增益，FFE的最佳tap數，並確定DFE(決策－回饋－等化)是否適合。DFE主要由CTLE或CTLE和接收器FFE替換為電氣接收器。DFE是推動NRZ設計達到數千兆位元資料速率的創新技術之一，但卻會受到脈衝組錯誤的影響。在大多數PAM4應用中使用的Reed Solomon FEC方案可容納30位元的脈衝組錯誤而不會發生問題，但是搭配1E-6的預FEC BER時，FEC故障可能會有問題。另一方面，透過四個「決策」到「回饋」，PAM4 DFE具有電位。若要選擇是否在接收器中使用DFE，則需要進行仔細分析。
錯誤導覽
與BERT所執行的單值誤差量測不同，錯誤導覽透過分析測試碼型中符號錯誤的位置以協助識別問題。可以檢查錯誤前面的符號序列，以及還原的時脈、符號偵測器限幅器臨界值和實際符號。以下是一些範例：
測試碼型
表2中的五個測試碼型用於相容性測試，但也可滿足大多數診斷測試需求。偽隨機二進位序列n四相(PRBSnQ)碼型是從對應的二進位PRBSn碼型匯出。四相版本PRBSnQ由格雷編碼位元從二進位PRBSn碼型重複至PAM4符號的最高有效位元(MSB)和最低有效位元(LSB)得到。正如PRBSn碼型由2n-1位元組成，PRBSnQ由2n-1 PAM4個PAM4符號組成。
表2 PAM4測試碼型
最簡單的標準測試碼型(由8個連續的 S3和S0符號的交替執行組成的方波)是用於集中於訊號軌道的功率或電壓位準的測試中。PRBS13Q用於大多數的發射器測試，而PRBS31Q則用於大多數的接收器測試。由於PRBS13Q僅包含8,191個符號，因此其長度夠短，可由示波器擷取數次重複的波形。利用多次重複，可執行詳盡的訊號分析：分離與碼型相關或不相關的訊號減損、量測隨機抖動和雜訊、識別週期性抖動和雜訊，並與串擾區別等等。另一方面，PRBS31Q擁有超過20億個符號；因此即使是最深的記憶體，示波器也無法擷取單次重複。PRBS31Q提供各種符號序列，以挑戰接收器還原時脈、等化訊號和識別符號的能力。
第五個測試碼型SSPRQ(短增壓碼型隨機四相)，長度夠短(65,535UI)可讓示波器能夠進行最精確的量測。這由來自PRBS31的四個特別增壓的子序列組成。SSPRQ用於發送器和接收器測試。
PAM4光學/電學相容性測試
表3列出了下述關鍵PAM4測試的典型訊號要求。廣泛的要求涵蓋了表1中列出的所有應用。相較於短距離測試，長距離的光學和電氣測試具有更嚴格的要求。
表3 典型PAM4訊號要求的範圍
分析PAM4訊號的技術使用了專為NRZ開發的更複雜測試版本，並導入了一些新的測試。例如，發射器和散射眼閉合四相(TDECQ)是專門用於光學PAM4訊號的測試。其中包含許多訊號品質指標：發射器雜訊、衰減、散射和等化，全部均以發射功率為中心，可作為極佳的訊號品質因數。
電氣訊號的關鍵相容性測試包括眼圖高度、眼圖寬度以及訊號對雜訊和失真比。電氣訊號需要線性度測試、位準分離失配率和眼圖對稱遮罩寬度，但也可以協助量測光訊號的品質。所有測試執行時均應使用指定的參考接收器，且串擾通道開啟並傳輸與測試訊號的碼型不相關的訊號。
PAM4版本的OMA和ER
光調變振幅(OMA)要求可確保適當調變的訊號，而衰減速率(ER)要求則可確保訊號不會被恆定波(CW)光功率遮擋。PAM4版本的OMA和ER量測與其NRZ版本基本上相同。PAM4版本的OMA稱為OMAouter，因為這是根據「外部」眼圖的功率級別構建。這是PAM4訊號的平均S3和S0位準之間的差異：
............................(1)
衰減速率是平均S3功率與平均S0功率的比值：
............................(2)
功率位準會在PRBS13Q或SSPRQ測試碼型上量測。P3是在一連串七個連續S3符號的中心兩個單位間隔上的平均功率，而P0則是在一系列六個連續S0符號的中心兩個單位間隔上的平均功率。
針對WDM系統，待測訊號必須由合適的光學濾波器與其他訊號隔離，或是所有其他訊號的總光功率均必須小於-30dBm。
發射器和散射眼圖閉合四相(TDECQ)
最複雜的光學相容性測試是TDECQ，此法是量測測試訊號達到SER理想訊號所需的附加訊號功率。雖然很複雜，但這也是一個全自動示波器量測。雖然可以使用示波器完成此工作，但瞭解TDECQ所傳達的內容是非常重要的步驟。在本節中，將針對TDECQ的完整概念性描述，而不著墨於標準中容易獲得的演算法細節。
TDECQ以較低的資料速率取代了NRZ訊號所需的遮罩測試和發射器散射懲罰(TDP)量測。遮罩測試提供了訊號品質的直覺視圖。另一方面，TDP與BER高度相關，但是難以量化，需要昂貴的硬體才能執行。
使用圖3a中所顯示的設定，SSPRQ碼型在單次示波器擷取中進行傳輸和量測，無需求平均值。每個通道均可在所有其他通道運作時單獨測試。應調整光纖分離器和可變反射器，使測試訊號達到規定的反射損耗位準。應設定偏振旋轉器以產生最大相對強度雜訊(RIN)。光學濾波器應將測試訊號與光纖上的任何其他訊號隔離至少20dB。
待測的發射器有自己的抖動、雜訊、串擾、非線性度等，並會在具有基準雜訊σS的裝置上進行量測。而長光纖線軸由於具有色散特性，會進一步降低測試訊號。由於訊號可能具有一個或多個閉合眼，因此參考接收器會包含一個5-tap FFE。由於FFE是一種有限脈衝響應(FIR)濾波器，因此將測試訊號置於四階貝塞爾湯姆遜濾波器，以一半的傳輸率使用-3dB頻寬來限制FFE混疊。
與TDP一樣，TDECQ將測試訊號與「理想訊號」進行比較。TDECQ和TDP均會量測額外的訊號功率(使測試訊號達到理想訊號的SER所需)。若量測由測試訊號的缺陷和測試光纖的影響相結合所消耗的功率量也具有相同的效果。
TDECQ和TDP之間的關鍵區別在於，TDP所使用的理想訊號是來自於真實的硬體黃金發射器，但TDECQ的理想訊號則是模擬的結果。模擬的理想訊號以完美的PAM4眼圖開始。透過要求在經過參考接收器調節後具有與測試訊號相同的OMAouter值，理想的眼圖將會與測試訊號眼圖相符。
模擬高斯雜訊σIdeal會新增至理想的訊號波形，直到其SER符合指定的目標SER：4.8E-4(目標SER是最大允許的預FEC BER的兩倍)。同樣地，模擬高斯雜訊σG會新增至量測波形，直到其SER也符合目標SER。TDECQ是須新增至理想訊號的雜訊與須新增至真實訊號的雜訊的比率，請記住，量測訊號上的雜訊亦包含示波器基準雜訊σS：
............................(3)
其中
由於理想的訊號從沒有任何類型的雜訊或抖動開始，且新增的雜訊為純粹的高斯值，因此可以直接計算σIdeal，
............................(4)
其中Qt＝3.414，目標SER的Q標度值。
確定TDECQ是一種迭代數值最小化過程，過程中會嘗試不同等級的σG。必須針對σG的每個值最佳化5-tap FFE。PAM4符號使用三個限幅器解碼，如圖5所示。限幅器的時間延遲位置是設定為最小化SER。限幅臨界值功率位準也針對SER進行了最佳化，但不允許從相等的垂直分布變化超過1%。
圖5 TDECQ量測，(a)應用高斯雜訊的理想訊號和(b)具有與理想訊號相同的OMAouter但具有抖動、雜訊、串擾、散射等的測試訊號，(c)TDECQ分析顯示。
當五個FFE tap和三個限幅器時間延遲和臨界值均已最佳化時，針對該值σG計算SER。迭代此程序，直到找到產生目標SER的σG的值。然後使用σG、σS和σIdeal的最終值來計算TDECQ，Eq(3)。
新增的雜訊和FFE tap的相互作用使程序的複雜度提高，但可以根據四個要同時成立的要求來重述問題：
1.必須調整五個FFE tap以最小化SER。
2.五個tap的總和必須為1。
3.設定符號解碼限幅器的時間延遲和臨界值以最小化SER。
4.新增至訊號的雜訊σG必須將訊號降級為精確指定的SER。
當同時滿足所有四個條件時，將可得到五個FFE tap的最佳化值R、限幅器時間延遲和臨界值位準，以及最重要的是TDECQ。在受到兩個約束的幾個變量中最小化等式(3)是數值分析中相當普遍的問題。TDECQ表示發射器的功率或OMAouter餘裕。通常，TDECQ必須小於3.1至3.4dB，具體取決於應用。
轉態時間
第一個PAM4技術要求符號解碼器以共同的時間延遲t中央對所有三個眼圖進行取樣，通常定義在中間眼的中點(儘管一些光學應用已允許三個限幅器的時間延遲位置不同，以適應眼圖時序偏斜)。對於要對齊的三個眼圖，0-1、0-2、0-3等轉換的上升/下降時間應幾乎相同，但這些轉換的偏斜速率應遵循1：2：3的比率。
圖6中的上升和下降時間變化指示三個眼圖的非線性度：眼圖壓縮是垂直符號位準的變化，而眼圖時間偏斜則是眼圖中心的時間變化。轉換時間要求長於指定的最小值，以減少可能加劇串擾的高頻成分。一般而言，針對26GBd，t上升/下降 ≥9.5ps。
圖6 上升和下降時間量測的PAM4分析顯示
眼圖高度(EH)與眼圖寬度(EW)
EH6(相對於SER＝1E-6定義的眼圖高度)和EW6(SER＝1E-6時的眼圖寬度)主要是電氣訊號的要求，但也為光學訊號品質提供了極佳的定量量測。對於三個PAM4眼圖中的每一個眼圖，EH6和EW6會使用與單一NRZ眼圖相同的方式量測，除了是從SER輪廓(而非BER輪廓)中擷取。
三個眼圖的取樣時間均定義為相同的值t中央，並由到達中間眼圖的SER＝1E-6輪廓的最長線的中心指定，如(圖7)所示。類似地，三個電壓限幅器臨界值Vlow、Vmid和Vupp則是由EH6low、EH6mid和EH6upp的中間點指定。由於系統SER受到最小眼圖開口(鏈中最薄弱的部份)的限制，標準規定了三個眼圖寬度和高度中最小眼圖的最小可接受值：
EW6＝min(EW6low, EW6mid, EW6upp)和 EW6＝min(EH6low, EH6mid, EH6upp).............................................................(5)
在參考接收器等化後，理想的發射器應能達到EW6≥0.2UI和EH6≥30mV的狀況，具體取決於應用。
圖7 每個眼圖的EH6和EW6的量測值來自BER=10-6輪廓、眼圖中心，以及標稱限幅臨界值的定義V下、V中和V上。
訊號對雜訊和失真比(SNDR)
訊號對雜訊和失真比(SNDR)是一種訊號品質因數，可將電氣訊號強度與隨機雜訊和諧波失真的組合進行比較。SNDR在發射器輸出端量測，並會考慮發射器的雜訊和失真，但與插入損耗和ISI(符號間干擾)無關。與TDECQ不同，SNDR並不考慮示波器的基準雜訊。
從線性擬合到量測波形得出SNDR。在對至少一個PRBS13Q重複的波形擷取上執行擬合。令量測的波形為y(k)，其中kruns從1到每個符號取樣數和測試碼型長度的乘積。脈衝響應p(k)是從量測波形和PRBS13Q碼型的理想符號位準的組合中擷取。然後使用脈衝響應導出波形的線性擬合f(k)。訊號強度是脈衝響應的最大值，pmax＝max{p(k)，所有k}。
逐樣擬合誤差是e(k)＝f(k)-y(k)，為擬合和量測的偏差。失真σe由擬合誤差的均方根e(k)得出：
訊號雜訊是在至少六個連續PAM4訊號的低斜率執行上，在四個符號位準的每一個位準上量測。四個量測的平均值指定為σn。
SNDR由下列式子得出
...........................(6)
在大多數情況下，SNDR必須大於31 dB。
位準分離失配率(RLM)
位準分離失配率是電氣PAM4訊號的要求，用於指示訊號的垂直線性度。其以參數RLM量測振幅壓縮，從0執行到1。在極端情況下，RLM＝1表示三個眼圖等間隔，而RLM＝0則表示三個眼圖中的至少一個眼圖已經塌陷。
若要量測RLM，請量測三個符號位準V0、V1、V2和V3的平均位準。確定中頻電壓，
，平均符號電壓可對應至正規化的有效符號，如圖8所示：V0→ES0＝-1和V3→ ES3＝+1，ES1和ES2由下式提供
...........................(7)
圖8 (a)具有RLM＝1的良好眼圖和(b)具有RLM＝0.78的不完美眼圖的等效符號位準
位準分離失配率是
電壓為線性的訊號將具有相等間隔的符號位準：(-1, -1/3, +1/3, +1)＝(ES0, -ES1, ES2, ES3)和RLM＝1.0。標準通常會將RLM的最低要求設定在0.75至0.95的範圍內，具體取決於應用。
眼圖對稱遮罩寬度(ESMW)
眼圖對稱遮罩寬度(ESMW)測試不同於在NRZ眼圖上執行的遮罩測試。圖9中的ESMW遮罩是垂直條紋，其寬度由以中央眼圖的中間點t中央為中心的最小EW6要求指定。如果所有三個眼圖的水平眼圖開口至少延伸到遮罩，則訊號即通過。
圖9 眼圖對稱遮罩寬度測試：(a)通過，因為遮罩未水平延伸超過任何眼圖的SER＝1E-6輪廓，(b)因為遮罩水平延伸超出下部和上部SER＝1E-6輪廓而失敗。
ESMW測試對於其三個PAM4眼圖未垂直對齊的訊號而言特別有效；圖9(b)中的眼圖具有眼圖內時序偏斜。所有三個眼圖均可具有寬廣的開口，並具有理想的位準分離失配率RLM＝1，但是如果眼圖未及時對準，則同時對所有三個眼圖進行取樣的相容接收器將無法達到所需的最小SER。
(本文作者為太克科技技術經理)