400G 以太網改用 PAM-4 信令取代 NRZ
2019-12-30 10:31:36 SynopsysIEEE 等眾多標準機構已經對多級信令進行了廣泛討論，即在更高數據速率下克服信道帶寬限制時，將他作為 NRZ 信令的替代編碼方案。
在 NRZ 信令中，一個比特是一個符號，具有 0 或 1 這兩個不同的幅度（圖 1）。符號以波特表示。NRZ 比特率等于其符號率，1Gbps 等于 1G 波特。
圖 1：NRZ 信令級別
圖 2：PAM-4 信令級別
圖 3：采用格雷碼的 PAM-4 信令
圖 4：從 NRZ 轉換為 PAM-4
然而，PAM-4 并不普遍保證能使用傳統信道設計，因為串擾、回波損耗和非線性等信道損傷對 PAM-4 信號的影響較大，需要加以解決。
與 NRZ 的兩個電壓級相比，PAM-4 具有四個電壓級，導致 12 種不同的信號轉換（六次上升和六次下降），產生三個區域眼圖開度，如圖 5 所示。每個眼高為 NRZ 眼高的 1/3，致使 PAM-4 信噪比 (SNR) 降低 9.5 dB 以上，這會影響高速信令的信號質量并帶來額外的約束。垂直眼圖開度減小 33％ 會降低 PAM-4 中信號的串擾和反射容差，從而導致更高的誤碼率。
圖 5：NRZ 與 PAM4 信號轉換及眼圖開度的比較
非線性也會改變信號眼高，顯著影響誤碼率性能。誤碼率主要受確定性抖動和噪聲的影響。
信道損傷對 PAM-4 中的三處眼圖中每一處都有不同的影響，要求每處眼圖都有自己的專用數據、錯誤和信號交叉檢測器組合。PAM-4 中的所有三處眼圖都不對稱，每一處都需要分別進行均衡。
超大規模數據中心正在成為企業的首選，可以處理和存儲大量數據，以執行針對各種數據密集型應用程序的工作負載。為了實現更快的數據連接以在超大規模數據中心中傳輸大量數據，服務提供商開始利用基于 56G PAM-4 信令的 400G 以太網鏈路。由于 NRZ 信令不足并且 PAM-4 能夠以波特率的一半實現更高的比特率，因此設計人員可以繼續以有望達到 400G 的以太網數據速率使用現有信道。然而，PAM-4 信令對諸如串擾和非線性之類的信道損傷更加敏感，這一問題需要在 PHY 設計實現中予以解決。
Synopsys 提供經過硅驗證的 PAM-4DesignWare®56G PHY IP，設計人員可將其集成到其超大規模 SoC 中，以支持高達 400G 的以太網鏈路。PHY 基于 Synopsys 經過硅驗證的數據轉換器構建，具有可配置性發送器和基于 DSP 的接收器，使設計人員能夠優化信號完整性和性能。在支持 IEEE 和光互連網絡論壇 (OIF) 標準規范的同時，PHY 還支持芯片到芯片、芯片到模塊（銅纜和光纖）以及銅背板互連，信道損耗低至 35 dB。此外，嵌入式誤碼率測試儀和內部眼圖監控器為通道性能提供了片上可測性和可見性。
