【導(dǎo)讀】NRZ和PAM4均為基帶傳輸?shù)木幋a方式，不同之處在于每個(gè)碼元（symbol）攜帶的信息量。NRZ編碼只有0和1兩種可能的狀態(tài)，每個(gè)碼元攜帶1比特信息，而PAM4編碼有四種可能的狀態(tài)，因此每個(gè)碼元攜帶2比特信息。這意味著PAM4僅需要一半的波特率即可實(shí)現(xiàn)與NRZ同樣的數(shù)據(jù)率（圖 1a），其對(duì)信道帶寬的要求也相應(yīng)減半（圖 1b）。這就是PAM4技術(shù)相對(duì)NRZ技術(shù)的核心優(yōu)勢(shì)。
PAM4技術(shù)的原理和優(yōu)勢(shì)
NRZ和PAM4均為基帶傳輸?shù)木幋a方式，不同之處在于每個(gè)碼元（symbol）攜帶的信息量。NRZ編碼只有0和1兩種可能的狀態(tài)，每個(gè)碼元攜帶1比特信息，而PAM4編碼有四種可能的狀態(tài)，因此每個(gè)碼元攜帶2比特信息。這意味著PAM4僅需要一半的波特率即可實(shí)現(xiàn)與NRZ同樣的數(shù)據(jù)率（圖 1a），其對(duì)信道帶寬的要求也相應(yīng)減半（圖 1b）。這就是PAM4技術(shù)相對(duì)NRZ技術(shù)的核心優(yōu)勢(shì)。
更低的帶寬要求意味著對(duì)信道損耗具有更高的容忍度，所以 PAM4 技術(shù)為系統(tǒng)商賦予了額外的靈活性：既能夠在保持?jǐn)?shù)據(jù)率不變的情況下降低信道中相關(guān)元件（線材、板材以及接插件等）的成本，也可以在維持現(xiàn)有成本結(jié)構(gòu)的前提下，達(dá)成更遠(yuǎn)的傳輸距離或者更高的數(shù)據(jù)率。低帶寬要求所帶來(lái)的另一項(xiàng)益處是高頻輻射的減少，這在復(fù)雜的車(chē)載電磁環(huán)境里顯得尤為關(guān)鍵。除了系統(tǒng)層面的收益之外，由于波特率更低，PAM4相較于NRZ降低了電路的某些要求，例如 DFE 的反饋時(shí)間。
PAM4技術(shù)的挑戰(zhàn)
PAM4技術(shù)雖然具有以上提及的優(yōu)勢(shì)，但是它同時(shí)也給電路和系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)一系列挑戰(zhàn)。設(shè)計(jì)者對(duì)這些挑戰(zhàn)的理解和應(yīng)對(duì)將決定整體方案能在多大程度上發(fā)揮PAM4的優(yōu)勢(shì)以提高性能和降低成本。
SNR降低
因?yàn)镻AM4的每個(gè)碼元有四種可能，在同樣的信號(hào)幅度下，PAM4的信號(hào)區(qū)分度降低為NRZ的1/3，亦即SNR有20*log(3)=9.5dB的損失。基于同樣的原因，PAM4對(duì)非線性失真、均衡誤差、失調(diào)、時(shí)鐘相位偏差、差分線對(duì)內(nèi)偏差、模式轉(zhuǎn)換、反射和串?dāng)_等都更加敏感，因此一般認(rèn)為僅當(dāng)PAM4的帶寬降低使得信道損耗的降低超過(guò)11dB時(shí)，其優(yōu)勢(shì)才能體現(xiàn)。
圖 2為兩個(gè)不同信道的損耗特性，其在2GHz和4GHz時(shí)的損耗差分別為5.2dB（=12.2-7.0）和12.4dB（=19.1-6.7）。圖 3所示則為8Gb/s的NRZ和PAM4信號(hào)經(jīng)過(guò)這兩個(gè)信道的眼圖（縱坐標(biāo)均為±500mV以便比較）。對(duì)于損耗差為5.2dB的信道，NRZ比PAM4的眼圖更優(yōu)。對(duì)于損耗差為12.4dB的信道，情況則正好相反，PAM4相對(duì)于NRZ具有明顯優(yōu)勢(shì)。
圖2：兩個(gè)不同信道的損耗特性
圖3： 8Gb/s的NRZ和PAM4經(jīng)過(guò)損耗差為5.2dB（a）和12.4dB（b）的信道之后的眼圖
CDR的挑戰(zhàn)
NRZ 信號(hào)僅存在兩種可能的碼間跳變，然而 PAM4信號(hào)卻增至十二種，如圖 4所示。不僅如此，在這些可能的碼間跳變當(dāng)中，能夠提供最佳時(shí)鐘信息的可用組合僅有八種（圖中紅線所示）。碼間跳變組合的增多意味著更大的硬件開(kāi)銷(xiāo)，而可用組合的減少則意味著更低的鑒相器增益及更高的時(shí)鐘抖動(dòng)。
圖4：PAM4信號(hào)的碼間跳變
PAM4的時(shí)鐘恢復(fù)相較于NRZ更為困難，然而其對(duì)時(shí)鐘的要求卻高于NRZ。圖 5為相同波特率的NRZ和PAM4信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)低損耗信道的眼圖。由于碼間干擾很小，NRZ的眼寬幾乎為一個(gè)UI。與之相比，PAM4中間的眼寬約為60%個(gè)UI，上下眼寬更是由于非對(duì)稱(chēng)性而降低到僅半個(gè)UI左右。在同樣的波特率下，這意味著PAM4對(duì)時(shí)鐘抖動(dòng)的容忍度比NRZ更低。這一特點(diǎn)也在高速SerDes的標(biāo)準(zhǔn)中有所體現(xiàn)，例如在A-PHY協(xié)議里，同樣處于4G波特率的情況下，PAM4模式對(duì)發(fā)射端時(shí)鐘抖動(dòng)的要求相比于NRZ 模式幾乎嚴(yán)格了一倍。
首傳微此次發(fā)布的套片，其全雙工模擬前端以幾乎無(wú)源的方式及早將上下行信號(hào)剝離，不僅在面對(duì)超過(guò)1V（單端，上下行合并）的信號(hào)幅度時(shí)無(wú)過(guò)壓風(fēng)險(xiǎn)，允許在PAM4模式下使用更高的下行信號(hào)幅度，而且能在低功耗下仍然保證信號(hào)鏈路前端的高線性度。高精度的模擬電路配合后臺(tái)全程運(yùn)行的數(shù)字自適應(yīng)算法將失調(diào)電壓、下行碼間干擾、上行回聲和下行反射的影響控制在接近底噪的水平。在PAM4模式下，接收機(jī)的閾值也由算法全程監(jiān)控，精確定位至眼圖中央。所有這些舉措共同作用，以實(shí)現(xiàn)信噪比的最大化。
為了滿足車(chē)載應(yīng)用對(duì)長(zhǎng)期穩(wěn)定性以及功能安全的嚴(yán)格要求，除了對(duì)信號(hào)鏈路的優(yōu)化之外，首傳微此次發(fā)布的套片還提供了大量的監(jiān)測(cè)和校準(zhǔn)功能，涵蓋線纜故障、電源電壓、溫度、基準(zhǔn)電壓和電流、頻率、帶寬以及電阻等方面。僅以片上LDO為例，對(duì)多個(gè)工藝批次（包括FF和SS）的產(chǎn)品的測(cè)試結(jié)果表明，在不增加芯片面積和測(cè)試成本的前提下，其輸出電壓的標(biāo)準(zhǔn)差僅為0.3%左右。注意此測(cè)試結(jié)果不僅包括LDO本身的偏差，而且包括了芯片內(nèi)置基準(zhǔn)源的離散性。如此精準(zhǔn)的控制一方面大大增強(qiáng)了產(chǎn)品的一致性和穩(wěn)定性，另一方面也意味著更高的良率和更低的成本。
作為專(zhuān)門(mén)為車(chē)載環(huán)境量身定制的標(biāo)準(zhǔn)，A-PHY在協(xié)議層面提供了快速動(dòng)態(tài)重傳機(jī)制，以實(shí)現(xiàn)卓越的EMC性能。在此基礎(chǔ)上，首傳微此次發(fā)布的套片在電路級(jí)進(jìn)行了額外的強(qiáng)化。內(nèi)置展頻功能、獨(dú)特的電源噪聲抑制以及閉環(huán)波形控制等技術(shù)降低了系統(tǒng)的對(duì)外輻射，而快速數(shù)據(jù)鎖定等技術(shù)則增強(qiáng)了系統(tǒng)的電磁抗擾能力。
圖 6（a）和（b）為VL7717S經(jīng)過(guò)封裝、EVB走線、連接器和測(cè)試線纜之后的實(shí)測(cè)NRZ及PAM4眼圖。圖 7（a）為經(jīng)過(guò)線纜之后VL7724S輸入端的PAM4眼圖。圖 7（b）則為經(jīng)過(guò)VL7724S模擬均衡器之后片內(nèi)眼圖掃描的結(jié)果，注意VL7724S會(huì)對(duì)該眼圖做進(jìn)一步的數(shù)字均衡以提高裕量。受益于架構(gòu)和電路的優(yōu)化，首傳微此次發(fā)布的套片在PAM4模式下的功耗比NRZ模式僅略有增加，其典型功耗比市場(chǎng)主流6Gb/s及以上方案降低超過(guò)30%。
圖6：VL7717S實(shí)測(cè)NRZ（4Gb/s）和PAM4（8Gb/s）眼圖
首傳微A-PHY SerDes套片VL7717S、VL7724S為車(chē)載高速遠(yuǎn)距離PAM4傳輸技術(shù)在中國(guó)的首家產(chǎn)品級(jí)實(shí)現(xiàn)，在國(guó)際上亦屬領(lǐng)先。首傳微將繼續(xù)深耕車(chē)載SerDes及相關(guān)領(lǐng)域，致力于打造功能更加完備、性能更加優(yōu)異、可靠性更高的產(chǎn)品系列，以滿足客戶(hù)的需求，為客戶(hù)帶來(lái)更加卓越的產(chǎn)品級(jí)體驗(yàn)。
敬請(qǐng)關(guān)注首傳微的技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品動(dòng)態(tài)，我們熱忱歡迎廣大客戶(hù)洽詢(xún)，以期更多的合作可能。
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