【導讀】NRZ和PAM4均為基帶傳輸的編碼方式，不同之處在于每個碼元（symbol）攜帶的信息量。NRZ編碼只有0和1兩種可能的狀態，每個碼元攜帶1比特信息，而PAM4編碼有四種可能的狀態，因此每個碼元攜帶2比特信息。這意味著PAM4僅需要一半的波特率即可實現與NRZ同樣的數據率（圖 1a），其對信道帶寬的要求也相應減半（圖 1b）。這就是PAM4技術相對NRZ技術的核心優勢。
PAM4技術的原理和優勢
NRZ和PAM4均為基帶傳輸的編碼方式，不同之處在于每個碼元（symbol）攜帶的信息量。NRZ編碼只有0和1兩種可能的狀態，每個碼元攜帶1比特信息，而PAM4編碼有四種可能的狀態，因此每個碼元攜帶2比特信息。這意味著PAM4僅需要一半的波特率即可實現與NRZ同樣的數據率（圖 1a），其對信道帶寬的要求也相應減半（圖 1b）。這就是PAM4技術相對NRZ技術的核心優勢。
更低的帶寬要求意味著對信道損耗具有更高的容忍度，所以 PAM4 技術為系統商賦予了額外的靈活性：既能夠在保持數據率不變的情況下降低信道中相關元件（線材、板材以及接插件等）的成本，也可以在維持現有成本結構的前提下，達成更遠的傳輸距離或者更高的數據率。低帶寬要求所帶來的另一項益處是高頻輻射的減少，這在復雜的車載電磁環境里顯得尤為關鍵。除了系統層面的收益之外，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 的反饋時間。
PAM4技術的挑戰
PAM4技術雖然具有以上提及的優勢，但是它同時也給電路和系統設計帶來一系列挑戰。設計者對這些挑戰的理解和應對將決定整體方案能在多大程度上發揮PAM4的優勢以提高性能和降低成本。
SNR降低
因為PAM4的每個碼元有四種可能，在同樣的信號幅度下，PAM4的信號區分度降低為NRZ的1/3，亦即SNR有20*log(3)=9.5dB的損失。基于同樣的原因，PAM4對非線性失真、均衡誤差、失調、時鐘相位偏差、差分線對內偏差、模式轉換、反射和串擾等都更加敏感，因此一般認為僅當PAM4的帶寬降低使得信道損耗的降低超過11dB時，其優勢才能體現。
圖 2為兩個不同信道的損耗特性，其在2GHz和4GHz時的損耗差分別為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信號經過這兩個信道的眼圖（縱坐標均為±500mV以便比較）。對于損耗差為5.2dB的信道，NRZ比PAM4的眼圖更優。對于損耗差為12.4dB的信道，情況則正好相反，PAM4相對于NRZ具有明顯優勢。
圖2：兩個不同信道的損耗特性
圖3： 8Gb/s的NRZ和PAM4經過損耗差為5.2dB（a）和12.4dB（b）的信道之后的眼圖
CDR的挑戰
NRZ 信號僅存在兩種可能的碼間跳變，然而 PAM4信號卻增至十二種，如圖 4所示。不僅如此，在這些可能的碼間跳變當中，能夠提供最佳時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銷，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鐘抖動。
圖4：PAM4信號的碼間跳變
PAM4的時鐘恢復相較于NRZ更為困難，然而其對時鐘的要求卻高于NRZ。圖 5為相同波特率的NRZ和PAM4信號經過一個低損耗信道的眼圖。由于碼間干擾很小，NRZ的眼寬幾乎為一個UI。與之相比，PAM4中間的眼寬約為60%個UI，上下眼寬更是由于非對稱性而降低到僅半個UI左右。在同樣的波特率下，這意味著PAM4對時鐘抖動的容忍度比NRZ更低。這一特點也在高速SerDes的標準中有所體現，例如在A-PHY協議里，同樣處于4G波特率的情況下，PAM4模式對發射端時鐘抖動的要求相比于NRZ 模式幾乎嚴格了一倍。
首傳微此次發布的套片，其全雙工模擬前端以幾乎無源的方式及早將上下行信號剝離，不僅在面對超過1V（單端，上下行合并）的信號幅度時無過壓風險，允許在PAM4模式下使用更高的下行信號幅度，而且能在低功耗下仍然保證信號鏈路前端的高線性度。高精度的模擬電路配合后臺全程運行的數字自適應算法將失調電壓、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，接收機的閾值也由算法全程監控，精確定位至眼圖中央。所有這些舉措共同作用，以實現信噪比的最大化。
為了滿足車載應用對長期穩定性以及功能安全的嚴格要求，除了對信號鏈路的優化之外，首傳微此次發布的套片還提供了大量的監測和校準功能，涵蓋線纜故障、電源電壓、溫度、基準電壓和電流、頻率、帶寬以及電阻等方面。僅以片上LDO為例，對多個工藝批次（包括FF和SS）的產品的測試結果表明，在不增加芯片面積和測試成本的前提下，其輸出電壓的標準差僅為0.3%左右。注意此測試結果不僅包括LDO本身的偏差，而且包括了芯片內置基準源的離散性。如此精準的控制一方面大大增強了產品的一致性和穩定性，另一方面也意味著更高的良率和更低的成本。
作為專門為車載環境量身定制的標準，A-PHY在協議層面提供了快速動態重傳機制，以實現卓越的EMC性能。在此基礎上，首傳微此次發布的套片在電路級進行了額外的強化。內置展頻功能、獨特的電源噪聲抑制以及閉環波形控制等技術降低了系統的對外輻射，而快速數據鎖定等技術則增強了系統的電磁抗擾能力。
圖 6（a）和（b）為VL7717S經過封裝、EVB走線、連接器和測試線纜之后的實測NRZ及PAM4眼圖。圖 7（a）為經過線纜之后VL7724S輸入端的PAM4眼圖。圖 7（b）則為經過VL7724S模擬均衡器之后片內眼圖掃描的結果，注意VL7724S會對該眼圖做進一步的數字均衡以提高裕量。受益于架構和電路的優化，首傳微此次發布的套片在PAM4模式下的功耗比NRZ模式僅略有增加，其典型功耗比市場主流6Gb/s及以上方案降低超過30%。
圖6：VL7717S實測NRZ（4Gb/s）和PAM4（8Gb/s）眼圖
首傳微A-PHY SerDes套片VL7717S、VL7724S為車載高速遠距離PAM4傳輸技術在中國的首家產品級實現，在國際上亦屬領先。首傳微將繼續深耕車載SerDes及相關領域，致力于打造功能更加完備、性能更加優異、可靠性更高的產品系列，以滿足客戶的需求，為客戶帶來更加卓越的產品級體驗。
敬請關注首傳微的技術創新和產品動態，我們熱忱歡迎廣大客戶洽詢，以期更多的合作可能。
文章來源：首傳微VELINKTECH
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