是德科技 单通道448G未来之路：PAM4? PAM6? PAM8?

以下文章来源于是德科技KEYSIGHT ，作者Keysight

随着数据中心规模的不断扩大以及AI大模型等技术的兴起，市场对高速、大容量数据传输的需求日益增长。例如，AI训练集群中GPU等设备之间的互联需要更高的传输速率来提升效率。在技术升级方面，SerDes技术的不断进步为单通道448G技术的发展提供了核心动力。同时，光模块和光引擎技术的发展也为单通道448G技术奠定了硬件基础。产业生态方面，诸多芯片厂商在SerDes技术、光模块接口等方面的研发投入，推动了单通道448G技术的发展。

最近，OIF启动了CEI-448G框架项目其重点是定义超过224 Gbps的下一代电口数据速率——目标为448 Gbps多级脉冲幅度调制（PAM）。
该计划旨在通过探索接口支持、调制方案和测试方法等关键因素，解决实现这一高速数据速率所面临的挑战。对于光数据中心网络（DCN），强度调制和直接检测（IM/DD）可实现每通道224 Gbps 的800G以太网（800GbE）和1.6T以太网技术。虽然基于224 Gbps（112 Gbaud PAM4）的标准化仍在进行中，但关于支持3.2 TbE的448 Gbps下一代光接口的讨论已经开始。224 Gbps的光电接口基于~112 Gbaud PAM4。对于448Gbps，适合电和光传输信道的调制格式仍然是研究人员的课题。
如下图所示，可能的解决方案是：150 GBaud PAM8、174 GBaud PAM6和224 GBaud PAM4。

图1. 448 Gbps的可能性解决方案

448G信号产生

448G信号主要由高性能任意波形发生器M8199B产生，具有高达256 GSa/s的采样率和超过80 GHz的模拟带宽，最多可达8个同步通道。可支持160 GBaud 及以上速率的新一代光电器件研发测试，可用于产生每通道高于400 Gbps的数据传输的信号。

图2. 448 Gbps信号产生设备


下面我们将介绍一种基础差分及单端信号产生的方法，并且在此基础上介绍根据以下两种调优448G信号的质量的方法：

• 使用两个AWG通道创建虚拟差分通道。由于两个通道产生的信号是相同的，因此完全相关，噪声的主要部分是不相关的，这在理论上将导致3dB的改善。
• 使用宽带巴伦改善M8199B的二阶非线性性能，尤其是在最高输出幅度下操作AWG时。对单端受测器件（DUT）使用虚拟差分通道方法时，也需要巴伦。

基于这两种方法，有多种可能的硬件配置适用于差分和单端DUT。

图3. 448G实验示意图

如上图所示，最简单的配置是SE1（上图左上）和DIFF1（上图左下），其直接使用M8199B AWG的单端/差分输出通道。这些配置是本文分析所采用的基准配置。
对于单端配置，宽带巴伦被放置在一个差分AWG输出处，以改善共模二阶非线性（SE2-上图中上）。通过使用两个AWG通道来创建虚拟差分通道，随后将其馈入巴伦（balun）以获得单端输出（SE3，图右上角），可实现进一步的改进。
对于差分配置，可以直接使用虚拟差分信道的概念（DIFF2-上图中下）。除了显著改善SNR性能外，这种配置还可用于补偿AWG和DUT之间的任何差分偏斜，否则会引入额外的频率相关损耗分量。
另一种差分配置采用两个巴伦，它们分别放置在两个差分 AWG 输出的输出端（DIFF3，图右下角）。

对于所有配置，在AWG输出和巴伦或DUT输入之间以及巴伦输出和DUT输入之间放置15 cm 1.00mm RF电缆。此外，每个N1046A DCA输入使用一个10 dB衰减器，以将输入幅度保持在线性工作范围内，同时避免超过数据手册中规定的损伤阈值。M8008A 时钟模块的 RefClkOut16G 输出通过功率分配器后分别接入 DCA
trigger和 PTB 接口。
数字信号生成（包括预失真）通过Keysight的IQTools软件实现。使用该软件，可以在目标采样率和AWG幅度下执行?InSystem校准。在通过巴伦组合不同AWG通道并使用单个DCA通道（例如SE2、SE3和DIFF3）进行测量的配置中，IQTools提供了一项功能，可通过“?Use separate tones”选项测量相对子通道频率响应，从而能够校正任何子通道失配。

448G电眼图测试方法

通过上面的实验示意图，我们通过M8199B分别生成了单端及差分的448G信号，下面我们就来简单看一下448G信号的测试。那么448G 信号如何测试呢？我们将主要使用两种仪器作为参考接收机，其中一个选择是DCA-X平台搭配N1046A模块，支持448G预研信号测试；另一种选择是使用110G带宽 Infiniium UXR系列示波器，也可以支持448G信号测试。

图4. 448 Gbps研究的关键测试设备


基于上文环境描述，我们使用N1046A搭配N1000A平台进行本次电信号评估，测试结果如下：

图5. 眼图：SE1（左）和SE3（右）的150 GBaud PAM8

图6. 眼图：SE1（左）和SE3（右）的174 GBaud PAM6

图7. 眼图：SE1（左）和SE3（右）的200 GBaud PAM4

图8. 眼图：DIFF1（左）和DIFF2（右）的150 GBaud PAM8

图9. 眼图：DIFF1（左）和DIFF2（右）的174 GBaud PAM6

图10. 眼图：DIFF1（左）和DIFF2（右）的200 GBaud PAM4


电PAM8和PAM6的误码率测量

在电误码率测试部分，我们使用110GHz UXR实时示波器测量了DIFF4配置的误码率。如下图11所示，四根15 cm RF电缆用于将M8199B的输出连接到巴伦的输入。巴伦的输出和实时示波器的输入通过使用30cm RF电缆连接。图12展示了DIFF4配置中连接示波器不长度的频率响应。虽然信号生成仍使用IQTools执行，但BER测量需要M8070ADVB高级测量软件包。BER是在运行“In System”校准后获得的，在M8070B软件中配置符号率和CDR参数如图13和图14所示，而且在这种情况下，在接收机侧不使用均衡功能。

图11.BER测量的实验设置

图12.考虑巴伦输出和示波器输入之间不同电缆长度的DIFF4频率响应


需要注意的部分是，加载到 M8199B 中的数据码型必须匹配其内存大小和波形粒度。针对 PAM6 和 PAM8 均使用了定制的 4096 符号码型。M8199B 以 243.75 GSa/s 的采样率产生 150 GBaud 信号，以 255.5625 GSa/s 采样率产生174 GBaud 信号。每次更改采样率时，均需在 IQtools 中执行 “InSystem”校准。差分路径的自动去偏斜（Auto-deskew）在 UXR Infiniium 软件中完成。M8199B 任意波形发生器的幅度通过 M8070B 软件固定为 1.6 Vpp。发射信号分别采用滚降系数为 0.3（PAM8）和 0.1（PAM6）的升余弦（RaisedCosine）滤波器进行脉冲整形。

图13.BER测量：150 GBaud PAM8（DIFF4），BER=~1.5e-5

图14.BER测量：DIFF4-174 GBaud PAM6，BER=~2.5e-6


总 结

根据本文的前面的配置后得出的实验结果表明，使用150 Gbaud PAM8和174 Gbaud PAM6以及先进的是德科技测试和测量设备，可以实现448 Gbps的传输速率。用PAM4演示的最高符号率是200GBaud，实现400Gbps的数据传输速率。通过使用M8199B AWG来执行信号生成，N1046A DCA执行信号分析。对于所考虑的所有调制格式，演示了眼图张开情况。使用110 GHz UXR系列实时示波器进行BER测量时，在150 GBaud PAM8时，误码率为~1.5e-5，而在174 GBaud PAM6时，误码率为~2.5e-6。
实际上，除去以上描述的在448G电信号方面的测试环境之外，是德科技也提供了448G光信号的预研测试环境，其主要包括光参考发射机N7718C以及N1032B光采样示波器，N7718C能够生成包括 NRZ、PAM4、PAM6 和 PAM8 波形在内的强度调制/直接检测 (IM/DD) 信号，搭配 AWG M8199B可支持单通道速率400G 的光传输信号生成。N1032A/B光采样示波器带宽高达120GHz,主要承担单通道速率400G 的光信号校准及测试任务。

审核编辑 黄宇