PAM4

PAM4 (4 Seviyeli Darbe Genlik Modülasyonu), sembol başına iki bitlik veriyi kodlamak için dört farklı gerilim seviyesi kullanan bir modülasyon tekniğidir. Sembol başına bir bit ileten geleneksel NRZ’den farklı olarak, PAM4 aynı bant genişliğinde veri hızını iki katına çıkarır; bu özelliği, onu yeni nesil yüksek hızlı seri standartlar için vazgeçilmez kılar.

100G ve 400G Ethernet için PAM4 Standartları

100GBASE-KP4, yani 100 Gigabit Ethernet, IEEE 802.3bj standardında ele alınmaktadır. 13,6 GBd (yani 27,2 Gb/s) hızında, bu hızlarda eski ve güvenilir NRZ yönteminin gayet iyi sonuç vermesi nedeniyle henüz yaygın olarak benimsenmemiştir. Ancak 50 Gb/s'nin üzerindeki hızlarda PAM4'ten kaçış yoktur. Yeni PAM4 Uygulama Notu, PAM4 teknolojisi üzerinde çalışan ve 400 Gigabit Ethernet, 56G OIF-CEI ve diğer tüm 400G standartlarına katkıda bulunan Tektronix mühendislerinin deneyimlerinden kaynaklanmaktadır.

Neden PAM4?

Sorun, iletim kanallarının frekans tepkisindedir. Eski günlerde, dijital sinyalleri sanki lojik yüksek ve lojik düşük seviyeleriyle açılıp kapanan doğru akım (DC) sinyalleriymiş gibi düşünebilirdik. Ancak veri hızları arttıkça, yüksek hızlı sinyalleri baskılı devre kartlarındaki dalga kılavuzu izleri boyunca yayılan mikrodalgalar olarak düşünmek zorunda kaldık. Devreler ve arka panellerdeki iletken izler dolambaçlıdır; 25 GHz civarında 70+ dB'lik kayıpla birlikte kabuk etkisi ve dağılım meydana gelir. Sonuçta ortaya çıkan ISI (semboller arası parazit), göz diyagramlarını kapatır.

Sinyali hem vericide FFE (ileriye dönük eşitleme) hem de alıcıda CTLE (sürekli zamanlı doğrusal eşitleme) ve DFE (karar geri beslemeli eşitleme) ile işleyerek, baz bant benzeri NRZ ile idare etmeyi başardık; ancak bu teknikler 25 ile 50 Gb/s arasında bir noktada yetersiz kalıyor.

PAM4 ve NRZ Sinyalleşmesi

Sembol başına iki bit kodlayarak, PAM4 aynı sembol hızında ve aynı baud hızında PAM2-NRZ’den iki kat daha fazla veri iletir. NRZ’nin önüne “PAM2” ön ekini eklediğimi fark etmişsinizdir. Mesele şu ki, dijital görünümlü NRZ sinyalleri, “non-return to zero” (sıfıra dönmeme) yerine 2 seviyeli darbe genlik modülasyonu (PAM2) olarak tanımlanmak daha doğrudur.

Aşağıdaki şekillerde PAM4 ve PAM2-NRZ sinyal iletimi karşılaştırılmaktadır.

PAM4 ve PAM2 Karşılaştırılması

PAM4, dört olan bit geçiş sayısına kıyasla on altı farklı bit geçişine, iki olan yükselen/alçalan kenar sayısına kıyasla altı tanesine ve eskiden bir tane varken gerilim salınımı ve birim aralık içinde yer alan üç “göz”e sahiptir. PAM4, PAM2-NRZ’nin karşılaştığı sinyal-gürültü sorunlarının en az üç katını yaşar. Tek bir sembol hatası, özellikle de bunun nedeni jitter ise, iki bit hatasına yol açabilir. Bu karmaşıklıkların yanı sıra, artık üç göz zincirindeki en zayıf halkayı da dikkate almamız gerekiyor; BER (bit hata oranı), en kötü gözün performansı kadar iyi olacaktır.

Diferansiyel sinyal iletimi, gömülü saat sinyali ve saat sinyali geri kazanımı ile hem vericide hem de alıcıda eşitleme. Diferansiyel sinyal iletimi değişmez, saat sinyali geri kazanımı ise kenarları o kadar belirgin olmadığı için daha zordur; verici eşitlemesi — hem multi-tap FFE hem de basit de-vurgu — dört sembol seviyesi nedeniyle karmaşıktır; CTLE alıcı eşitlemesi değişmez, ancak DFE'lerin geri beslemesi gereken dört karar vardır.

Üç göz, aynı zamanda üç voltaj dilimleyicisi anlamına gelir. İlk kullanıcılar, bu üç dilimleyici için ortak bir zamanlama kullanacak; daha sonraki teknolojilerde ise bağımsız zamanlama söz konusu olabilir. Üç gözün birbirine göre oranları, doğrusallık sorunları konusunda yepyeni bir kategori ortaya çıkarır. Şu anda, farklı laboratuvarlardaki mühendisler, zamanlama ve voltaj doğrusal olmama durumlarını ölçmek için kendi tekniklerini kullanmaktadır. Teknoloji geliştikçe, yeni test teknikleri birbirine yakınlaşacaktır.

PAM4, çözdüğü kadar sorun da yaratıyor gibi görünebilir, ancak standart kuruluşları bize büyük bir kolaylık sağladı: FEC’nin (ileri hata düzeltme) dahil edilmesiyle BER gerekliliği 100.000 kat gevşetildi. 10-12 veya 10-15’ten daha iyi bir BER değerine göre tasarım ve test yapmak yerine, PAM4 tasarımlarının BER < 10-6 şartını karşılaması gerekiyor. PHY katmanındaki BER gerekliliğinin gevşetilmesi, testler açısından muazzam bir avantaj sağlıyor ve buna ihtiyacımız olacak.

PAM2-NRZ sistemlerini 10-12 veya daha düşük BER değerlerine kadar test etmek için, ya 20 dakika ile bir saat süren testler gerçekleştirmemiz ya da daha hızlı ölçümleri gürültünün derinliklerine kadar genelleştirmemiz gerekiyordu. İki ölçüm arasındaki bir değeri tahmin etmek için enterpolasyon son derece makul bir teknikken, ekstrapolasyon ise ölçümün güvenilirlik sınırının ötesine atılan bir adımdır. BER < 10⁻⁶ şartını koyarak, bir BERT (bit hata oranı test cihazı) veya osiloskop kullanarak gürültü ve jitterin tam etkisini bir dakikanın çok küçük bir kısmında ölçebiliriz.