年度全球網際網路流量預計在未來五年內會出現爆炸性的成長(思科視覺網路指標)。這種成長是由越來越多的裝置連線及在內容消費的上升所導致。
為了支持此預測的成長，必須相對地提升資料由網路基礎設施交付的速度。目前業界正努力讓輸送量提升兩倍甚至四倍，且每通道可提供 56Gbps 或 122Gbps I/O。
不歸零(NRZ)發訊方案已不再能在較低頻寬的通道上支援可靠的56Gbps輸送量，由於NRZ的頻率訊號內容會隨著位元速率線性增加。針對相同的資料速率，僅需一半頻寬(如 NRZ)的備用調變方案(例如PAM-4)將可提供所需的效能。
比較 PAM-4 與 NRZ
| 圖1 : PAM-4與NRZ利用不同的訊號位準和過渡碼型。 |
|
圖1為PAM-4與NRZ的快速瀏覽，顯示PAM-4可支援4種位準(標記為位準0、位準1、位準2、和位準3)，每單位間隔可傳輸兩位元的資料，相較而言，NRZ 的每單位間隔僅可傳輸1位元的資料。
PAM-4發訊中的4種位準會產生三個相互依存的眼圖，從其中一個位準轉換到另一個時將會影響其他眼圖。PAM-4 訊號的三個眼上皆可執行眼圖量測(類似於在NRZ眼上執行的量測)，同時亦可在整體封包上執行另外一個整體外眼量測。
表1 PAM-4 和 NRZ 發訊比較
? |
PAM-4 |
NRZ |
每 UI 位元數 |
2 |
1 |
位準 |
4 |
2 |
上升/下降邊緣 |
6 |
2 |
轉換 |
12 |
2 |
每 UI眼數 |
3 |
1 |
範例：PAM-4 與 NRZ 眼圖
?垂直眼開口(眼高度) @ BER
－在相同的電源電壓下，PAM-4個別眼高度為NRZ的33%
－由於鮑率僅有一半，PAM-4 可忍受更低的損耗
?水平眼張口(眼寬度) @ BER
－由於鮑率僅有一半，PPAM-4個別眼眼寬度為NRZ的200%
－PAM-4眼寬度是由非相鄰位準之間的轉換減少
成功的 PAM-4 設計
與NRZ不同，設計中包含了多年來所建立的大量知識，這可讓設計和驗證團隊提升現有設計的發展，達到更高的效能。但是，由於PAM-4需要處理多位準發訊，這引入了複雜的發射器和接收器，且改變了在裝置和系統位準上執行的設計、模擬、特性分析和驗證活動。
傳統上，模擬(設計)和量測(驗證)在不同的開發階段和不同的職能團隊中進行，並依賴不同的方法和工具來達成其目標，即使是針對同一個產品。
在透過通道傳輸時，由於訊號失真，PAM-4訊號幾乎總是有一個閉合的眼。在模擬與量測環境中，等化器可用於扭轉失真、還原訊號和開放訊號眼。傳統上，設計環境使用與各種EDA工具相容的IBIS AMI模型，而與此相反，參考等化器可用於進行量測系統中的量測。
此外，實驗室量測經常出現電腦模擬中不存在的設備：測試夾具、電纜、接投、射頻切換器、測試設備等。
其結果是，如果不考慮這兩個方法之間的差異和現實世界的限制，模擬結果便可能與量測結果不一致。僅根據模擬或量測結果，而不包含來自設計和驗證階段且彼此不同意的資料，這樣所做出的結論可能毫無意義。
為引導和實現滿足現實要求和餘裕的產品設計，至關重要的是納入這些真實世界的設備，並使用相同的分析方法，打造出高效和準確的模擬和量測工作流程?？s減設計和驗證階段之間的差距，並讓團隊使用相同的參考資料和分析方法，談論同樣的主題，進而推動在市場中進行更快速的產品部署行動。
縮小模擬和量測差距
挑戰
在驗證過程中，最新的 PAM-4 發射器(TX) 未通過矽後(post-silicon)測試，不符合產品規格；其設計是以矽前(pre-silicon)模擬為基礎，確實顯示符合產品規格，而經過簽署同意。在仔細分析發現：
1.在模擬期間會計算發射器的輸出，但會忽略在實驗室驗證量測(包括測試夾具、接頭和電纜)期間的實際測試條件，而直接的結果即是模擬結果過於樂觀；
2.在進行量測前，訊號已使用參考接收器(RX)等化器進行等化處理(大多數的測試要求常用)。與此相反，設計團隊則使用IBIS AMI接收等化器模型來模擬和評估訊號(EDA 使用者常用)。
模擬/量測關聯要求發射器(TX)、接收器(RX)和通道需精確建模，並考慮在實驗室中的真實場景，如參考通道、電纜、夾具、射頻切換器，這些裝置均會對訊號產生影響。
實驗室設定包括測試夾具，可從裝置下方擊穿訊號，並將其路由至接頭。電纜之後可用於將測試夾具連接至示波器以進行量測。將待測裝置(DUT)連接至示波器的半公尺長SMA電纜會在第一個諧波上引入額外約 5dB 的插入損耗，同時由於使用測試夾具和可能使用的射頻切換器，也會產生更多的損耗，如果有更多訊號需要進行特性分析，則會導致餘裕減少。
另外，參考等化器處理與設計的IBIS AMI機型不同的訊號。從(1)和(2)的結果看來，在測試期間，DUT未能滿足眼高度和眼寬度規格。
圖2設計人員在DUT測試點(藍色)模擬訊號的完整性，而測試人員則使用額外的夾具和設備(紅色)量測訊號。
由於存在測試夾具、設備和使用不同的Rx方法，量測結果會與設計模擬不一致。
解決方案
若量化連結中各元素的影響程度，並使用模型將其納入模擬和量測工作串流，將會降低設計階段和驗證階段之間的差距，以早期發現並解決缺陷。
在矽前設計和分析階段，Tektronix的最新分析和量測解決方案可讓客戶能執行之後在實驗室用於簽署同意的相同測試。
?序列資料連結分析(SDLA)顯影儀是適用於即時示波器上高速通訊協定的連結分析解決方案；可在量測和模擬資料上運作，其特點是：
－使用虛擬探測和DSP解嵌入/嵌入技術，進行各種可能的探測，並可視化所需的資料；
－移除/納入測試設備(電纜、探棒、夾具等)的影響以達成準確的結果。此外，SDLA隨附許多P76xx、P75xx和P73xx系列探棒機型及DPO/DSA/MSO70K系列示波器的輸入阻抗機型，並可自動進型識別；
－模型參考接收行為，以及ISIS-AMI支援，與EDA設計輸出相容。
?DPOJET / PAM4分析功能會執行自動訊號量測及特性分析，為NRZ(DPOJET)和PAM-4(PAM4分析)發訊提供準確和全面的抖動和眼圖分析，簡化訊號完整性調查及高速序列、數位和通訊系統設計的最佳化程序；透過預設組態，支援各種已建立和新興的標準(電子和光學)，同時還為進階的使用者提供了完全可自訂的選項。
| 圖3 : Tektronix的量測相關解決方案，可讓設計人員能執行之後在實驗室用於簽署同意的相同測試。 |
|
模擬/量測關聯性
為了證明解決方案的模擬/量測關聯性，我們與Cadence合作，並採用了其Sigrity SI / PI分析工具。如圖5所示，Sigrity包含了嵌入和解嵌入的S參數，因此，SDLA顯影儀會使用由Sigrity移植的IBIS-AMI模型，針對模擬和量測路徑執行Rx等化處理。
發射器屬性
?資料速率：25.78125 GBd
?發訊：PAM-4
?Tx等化：5-tap FIR(1個前驅，3個後驅)
?資料碼型：PRBS7
通道屬性
?IEEE 802.3bs 400 GB專案組庫，中距離/晶片到晶片通道，具單一連接器
?插入損耗：18.2 dB @基本
接收器屬性
?自動增益控制(AGC)
?適應性2極連續時間線性等化器(CTLE)
?15-tap決定回饋等化器(DFE)
以下圖片顯示了設計/模擬階段之間的結果相關性和驗證/特性分析。
(本文作者沈忠榮為太克科技技術經理)
