信令方案没有“灵丹妙药”

2004年08月28日

随着几家标准制定机构为用于电信和数据通信的10Gbps接口开发电气标准,如何平衡硅实现的复杂性与互连和信道设计的复杂性引起了业界的争论。

尽管二电平不归零(NRZ)信令是理所当然的选择,但新的观点认为,在10Gbps速率上继续使用NRZ将使工程师无法采用原有的背板设计。几家标准机构提出的建议是采用多电平信令解决方案,如PAM-4。这些建议是基于以下信念,即低波特率的脉冲幅度调制(PAM)可支持使用传统的背板和互连设计。

与NRZ相比,PAM的优势在哪？流行的看法是PAM的低波特率可以使眼宽(eye width)翻倍,并减少与频率有关的损耗。不过,当你更详细地分析信令方法后,你会发现,PAM-4并不能完全保证使用传统的背板设计,而NRZ也不一定就排斥原有设计。HSPACE=12 ALT="图:对5种背板进行的统计眼分析表明,PAM-4并不是10Gbps背板设计的“灵丹妙药”。">

请考虑NRZ与PAM-4在信号幅度上的差异。当采用类似的硅技术和供电电压时,NRZ和PAM-4发射器具有相同的信号动态范围。但NRZ利用全动态范围来使眼幅度最大,而PAM-4将动态范围分成四级,因此最终得到的垂直眼只有NRZ的三分之一。

PAM-4较低的启动幅度可能是,也可能不是一个缺点。这取决于信道损耗特性。由于NRZ信号的波特率是PAM-4的两倍,所以NRZ信号将在信道中承受更多与频率有关的损耗。对于给定信道,存在一个交叉比特率。在该点之上,NRZ的损耗增加,使PAM-4可以在接收端提供更高的幅度。即使忽略串扰,对FR4轨迹的传输线分析表明,交叉点通常位于12Gbps之上。

PAM-4垂直幅度的缺点还使其在抵抗串扰方面处于不利位置。与NRZ相比,PAM-4在接收器端的信号幅度被减少。而二者的发射信号总动态范围是一样的,因此由干扰信号引入的噪声幅度不会减少。其结果是,PAM-4更易受串扰影响。这可能会成为一个问题,尤其对传统信道设计。

在对垂直幅度的讨论中,我们假设这两种信令方法采用类似的硅技术和电源电压。大多数PAM-4的实现方案采用更高的供电电压以增加总有效动态范围,从而增大发射的眼幅度。该技术能克服PAM-4信令的眼幅度缺陷,但也增加了功耗,并可能要求在硅实现方案中采用双氧化物器件。同样地,NRZ的发射幅度也可以提高到类似的性能水平。

PAM-4的单位间隔(UI)是NRZ的两倍,因此PAM-4的水平眼开(eye opening)幅度自然比NRZ大。但抖动和其它因素会减少眼宽。

发射抖动一般随波特率变化,所以NRZ与PAM-4发射器具有类似的抖动。在后面的分析中,我们假设:11.1Gbps的NRZ发射器具有0.3 UI的总发射抖动,而工作在一半波特率的对应PAM-4发射器经过仔细设计后已经将发射抖动减低至0.27 UI。

非相邻信号电平之间的转换也会使PAM-4发射器的眼宽再减少0.33 UI。

编码方案可用来消除非相邻电平之间的转换。但代码会增加开销,对于相同的比特率要求更高的波特率,从而减少眼宽。

考虑到发射抖动及非相邻电平之间的转换,在发射器上得到的PAM-4水平眼开为0.40 UI (72 ps)。NRZ的眼开为0.70 UI (63 ps)。PAM-4提供了更水平的眼开,但这个优势相对波特率并不那么明显。

NRZ与PAM-4之间的任何比较都必须假设PAM-4采用的是一种较不复杂的均衡方案,以保证所比较的两种实现方案具有相等的电路成本、复杂性和功耗。很多6Gbps的NRZ接收器均包含DFE均衡功能,而PAM-4实现方案只采用线性均衡。实现DFE的PAM-4接收器将更复杂。

统计眼分析采用信道的S参数测量值以及理想的发射器和接收器模型,以确定信道是否能通过可接收的信号。该算法首先选择最佳的发射预加重系数和接收滤波器系数,然后使用统计方法来确定经过接收器均衡后的眼开。

尽管演示背板也许不能代表系统供应商最终制造的系统,但它们可用以进行结果的相对比较。我们对5块背板进行统计眼分析:一种是为3Gbps设计的传统背板、其它4种是由不同公司提供的10Gbps演示背板(见附表)。比较的两个对象是带发射预加重和四抽头DFE的NRZ信令与带线性均衡的PAM-4信令。

这两种信令的实现方案具有大约相等的复杂度,并与目前最高端的6Gbps SerDes器件相当。分析是针对有0至6个串扰入侵信号进行的。如果垂直眼幅度为零以下(包括零),或者水平眼闭(eye closure)超过0.9 UI,那么眼可以被认为是闭合的。

NRZ情况的统计眼分析结果表明,除了3Gbps背板(背板E)外,所有背板在至少一个侵入信号的情况下呈开眼状态,而即使没有侵入信号,所有背板在PAM-4情况下均呈闭眼。3Gbps传统背板在NRZ和PAM-4两种情况下都呈闭眼。

我们对3Gbps背板进行了额外分析,以确定更复杂的PAM-4是否能产生开眼。但即使参考接收器包含2抽头DFE,该背板仍呈闭眼状态。

NRZ在有6个入侵信号的背板(背板C)上能产生开眼,但即使没有入侵信号,PAM-4也不能产生开眼。