PAM4 (4 Pulse Amplitude Modulation) 信號作為下一代數據中心中高速信號互聯的熱門信號傳輸技術，被廣泛應用于200G/400G接口的電信號或光信號傳輸。

問題一、什么是PAM4

傳統的數字信號最多采用的是NRZ（Non-Return-to-Zero）信號，即采用高、低兩種信號電平來表示要傳輸的數字邏輯信號的1、0信息，每個信號符號周期可以傳輸1bit的邏輯信息；而PAM信號則可以采用更多的信號電平，從而每個信號符號周期可以傳輸更多bit的邏輯信息。比如以PAM4信號來說，其采用4個不同的信號電平來進行信號傳輸，每個符號周期可以表示2個bit的邏輯信息（0、1、2、3）。下圖是典型的NRZ信號的波形、眼圖與PAM4信號的對比。

NRZ信號眼圖 PAM-4的眼圖

真可謂天下之事，合久必分，分久必合。在數字電路獨領風騷的時代，當帶寬的發展已經到了極致的時候，利用類似模擬信號進行傳輸數字信息的手段有效提升了信號的傳輸速率。

由于PAM4信號每個符號周期可以傳輸2bit的信息，因此要實現同樣的信號傳輸能力，PAM4信號的符號速率只需要達到NRZ信號的一半即可，因此傳輸通道對其造成的損耗大大減小。隨著未來技術的發展，也不排除采用更多電平的PAM8甚至PAM16信號進行信息傳輸的可能性。

由于PAM4存在每符號2位，4符號電平和每UI 3眼圖，每個符號周期可以傳輸兩倍于NRZ的信息。

其實PAM4信號的概念并不新鮮，比如在最普遍使用的100MBase-T以太網中，就使用3種電平進行信號傳輸；而在無線通信領域中普遍使用的16QAM調制、32QAM調制、64QAM調制等，也都是采用多電平的基帶信號對載波信號進行調制。

PAM4信號為4電平脈沖幅度調制，可以顯示比傳統數字信號更多的bit邏輯信息，但其實另一方面在PAM4信號設計測試過程中遇到的挑戰則尤為嚴峻：

比如PAM4信號對噪聲更敏感，同樣的系統噪聲，PAM4信號約有9.5dB的信噪比；

比如在PAM4信號有16種切換狀態，因此會導致上、下眼圖在垂直方向上的不對稱，進一步導致在交叉點處和眼高的中間處測得的眼寬并不一樣，眼圖的非線性問題也較易發生。

比如PAM4信號的雖然降低了信號的符號率，但10dB以上的通道損耗還是會使得接收端信號眼圖完全閉合，因此，對于PAM4信號，發送端的預加重和接收端的信號均衡很重要。

比如…………

Keysight擁有PAM-4測試的最完整解決方案：從仿真到測試，從發送端到接收端，從物理層測試到測試結果的大數據分析，精確而快速的表征如 IEEE 802.3bj 所描述的 PAM-4 信號，并滿足 OIF-CEI-56G 和 IEEE 400G 等開發標準所列出對未來的 PAM 信號測量需求。

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PAM4 發送端參數測試

PAM4發射機的電氣參數測試可以使用實時示波器，也可以使用采樣示波器。對于IEEE定義的26.56G Baud信號來說，其電氣參數測試建議使用至少33GHz帶寬的4階Bessel-Thomson濾波器頻響曲線的示波器。

對于采樣示波器來說，由于其頻響曲線接近4階Bessel-Thomson濾波器形狀，所以使用33GHz以上帶寬的示波器模塊即可；

對于實時示波器來說，通常采用磚墻式頻響，為了模擬出所需的頻響曲線會犧牲一部分帶寬，所以建議使用至少50GHz以上帶寬的示波器。

下圖是可以用于PAM4信號測試的實時示波器及采樣示波器。

在發送端測試中，我們需要關注的測試參數有消光比，光調制幅度測試， TDECQ發射機色散代價，線性度測試，抖動測試等。

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PAM4 接收容限和誤碼率測試

對于PAM4的接收端設備來說，需要驗證其對于惡劣信號的容忍程度。所以接收端測試的主要目的就是產生一個精確可控的惡劣信號注入到接收端，然后通過誤碼率的變化來觀測其對于惡劣信號的容忍能力。

下面這張圖是OIF CEI 4.0的Draft規范里，定義的對于56G-VSR-PAM-4的Module的接收容限測試方法。在這個測試里，如何產生用戶自定義或者PRBS31Q的PAM4信號、如何模擬發送端的預加重、如何注入不同的正弦抖動以及隨機抖動、如何模擬通道損耗、如何模擬相鄰通道造成的串擾，以及如何對一致性測試點處的信號進行校準和修正，都是巨大的挑戰，要求使用的測量設備具備足夠高的靈活性和參數調整能力。

為了應對這些挑戰，需要使用高性能的、可以支持靈活PAM4信號參數調整的誤碼儀。在進行接收容限測試時，如果被測件有內部誤碼計數功能，可以通過內部誤碼計數讀出此時的誤碼率；如果沒有誤碼計數功能，可以把接收的數據環回后送回給誤碼儀的誤碼檢測模塊，從而直接進行誤碼率判斷。

更復雜的接收端容限測試除了要求線性度容限的測試，還要考慮在有抖動、噪聲和碼間干擾存在的情況下接收端的接收能力。這就需要使用誤碼儀的信號發生器產生帶有抖動、噪聲和碼間干擾的信號并注入到接收端，然后通過內部誤碼計數或者環回的方式來進行誤碼統計。這種用于注入到接收端進行容限測試的信號通常叫做壓力信號（Stress Signal）。

Keysight N4917BSCA 光接收機測試解決方案為光接收機極限測試提供了一個完整、可重復的自動化解決方案。

與依照 IEEE 802.3bs 第 121 條和第 122 條進行手動校準相比，該方案為光極限眼圖提供了可重復的校準，能夠節省數小時的校準時間。N4917BSCA 解決方案軟件能夠控制和設置所有必需的儀器，用于校準、接收機靈敏度和抖動容限測試。

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PLTS 物理層信號完整性測試

如今，物理層結構越來越成為高速數字系統性能的瓶頸。在低數據速率時代，互連的電長度較短。信號完整性通常主要與驅動器和接收機相關。但是，當時鐘速度、總線速度和鏈路速度都超過千兆/秒時，物理層表征變得越來越重要。 當前數據設計人員面臨的另一項挑戰是：數字設計向差分拓撲發展的趨勢,他們必須對所有可能的工作模式進行分析，才能對器 件性能有一個全面的了解。

由于綜合使用時域和頻域分析變得越來越重要，因此對多個測試 系統的管理也變得越來越困難。是德科技的物理層測試系統（PLTS）專為信號完整性分析而設計，既能全面表征差分高速數字器件、又能使分析的域類型和格式滿足測試人員 的要求。

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PAM4 信號仿真

隨著PAM4的應用越來越多，在之前的ADS版本中已經有bit-by-bit的PAM4通道仿真方法，而在ADS2017的新版本中，更是新增了統計仿真的方式。

在PAM-4信號傳輸時，諸如抖動、噪聲、信道丟失和符號間干擾(ISI)等會對正常傳輸的內容產生影響。此外，PAM-4的接收器體系結構為系統設計人員引入了很多新的概念，如：具有電壓閾值的Slicer輸出（用于確定已接收到的幅度電平）；單個Slicer skew，multi-tap反饋均衡，時鐘和數據恢復等對真實PAM4設計的影響都需要在仿真設計之時考慮進去。