摘 要

千兆移动网络和人工智能的不断发展促使业界对高吞吐量互连的需求不断增长，PAM4使用多级信令完全改变了过去以太网测试的预期，由于需要更复杂的收发器的电路设计和更完善的测试方案来解决PAM4挑战，因此业界需要更完善的测试方案来对PAM4系统进行测试。IEEE 802.3bs协议标准给出了200G/400G以太网中PAM4测试的主要指标及测试方法，而众多科技公司也都纷纷参考国际标准设计出自己的测试方案，诸如高带宽的采样示波器与实时示波器、高性能的误码仪、各种性能优良的均衡器等器件均被用于PAM4测试。

本文主要的研究内容为：

（1）PAM4调制和解调原理的特征、PAM4信号的特点以及PAM4技术难点。

（2）PAM4系统测试的参数指标及测试方法，技术难点，针对这些挑战的应对方案。

（3）设计了一套简易的单通道25Baud（50Gbps）的PAM4光纤传输链路的测试方案，借助OptiSystem软件进行仿真，验证了该测试方案的可行性。

研究结果表明：信道噪声对发射端眼图轮廓和信号抖动影响较大，在对接收端进行眼图测试和误码率测试时需要充分考虑通道噪声、时钟偏移及非线性调制等因素的影响，对于PAM4测试而言，比较好的方式是选用CTLE均衡器、FFE均衡及CDR时钟恢复电路等模块来减小通道噪声或串扰对测试的负面影响。

本文的特色：在接收端进行误码率测试时运用了基于原二进制测试信号的时钟恢复及阈值判决电路，使得接收端的误码判决更为精确。

关键词：PAM4测试；OptiSystem；数字光纤通信；误码率

Abstract

The growing demand for Gigabit mobile networks and artificial intelligence has driven the industry's growing demand for high-throughput interconnects, and PAM4's use of multi-level signaling has completely changed the expectations of past Ethernet tests. Due to the need for more complex transceiver circuit designs and a more complete test solution to solve the PAM4’s challenge, the industry needs a more complete test plan to test the PAM4 system. The IEEE 802.3bs protocol standard gives the main indicators and test methods for PAM4 testing in 200G/400G Ethernet, and many technology companies have also designed their own test solutions and devices with reference to international standards.

The main contents of the paper are:

(1) The principle of PAM4 modulation, the characteristics of PAM4 signal and the technical difficulties of PAM4 are studied.

(2) The parameters and methods of testing the PAM4 digital optical communication system, the technical difficulties of the test, and some countermeasures for these challenges are studied.

(3) A simple single-channel 25Baud (50Gbps) PAM4 fiber transmission link test scheme was designed. The simulation was carried out with OptiSystem software to verify the feasibility of the test scheme.

The research results show that the channel noise has a great influence on the eye contour and signal jitter of the transmitting end. It is necessary to fully consider the influence of channel noise, clock offset and nonlinear modulation when performing eye diagram test and bit error rate test on the receiving end. For the PAM4 test, a better way is to use CTLE equalizer, FFE equalization and CDR clock recovery circuit to reduce the negative impact of channel noise or crosstalk on the test.

The characteristics of this paper: When the bit error rate test is carried out at the receiving end, the clock recovery and threshold decision circuit based on the original binary test signal is used, which makes the bit error decision at the receiving end more accurate.

Keywords: PAM4 test；OptiSystem；Digital optical fiber communication；Bit error rate

目 录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景与意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 论文结构安排 4

1.4 本章小结 4

第2章 PAM4技术的研究 5

2.1 PAM4调制解调原理的研究 5

2.2 PAM4信号特点 6

2.3 PAM4技术难点 8

2.3.1 PAM4信号的产生方式 8

2.3.2 噪声容限 9

2.3.3 预加重和信号均衡 9

2.3.4 线性度 10

2.3.5 CDR时钟恢复及抖动分析 10

2.3.6 PAM4信号的测试码型 11

2.4 本章小结 11

第3章 PAM4系统的测试的研究 12

3.1 PAM4系统结构特点 12

3.2 发射机关键指标与测试方法 12

3.2.1 上升时间测试 13

3.2.2 抖动测试 13

3.2.3 眼高、眼宽测试 14

3.2.4 线性度测试 15

3.2.5 消光比和光调制幅度测试 15

3.2.6 TDECQ测试 16

3.3 接收机关键指标与测试方法 17

3.3.1 误码率测试 18

3.3.2 接收机容限测试 18

3.4 本章小结 20

第4章 PAM4系统的测试方案的设计 21

4.1 OptiSystem软件特点 22

4.2 测试方案的设计 22

4.2.1 系统测试流程 23

4.2.2 关键技术分析 24

4.2.3 测试指标 25

4.3 本章小结 25

第5章 PAM4系统的测试方案的仿真验证 26

5.1 环境参数配置 26

5.2 发射机测试的仿真分析 30

5.2.1 眼图测试 30

5.3 接收机测试的仿真分析 32

5.3.1 接收灵敏度测试 33

5.3.2 误码率测试 35

5.4 本章小结 37

第6章 总结与展望 38

6.1 全文总结 38

6.2 后续工作展望 38

参考文献 40

致谢 42

第1章 绪论

新一代高性能光互连系统所采用的调制方式已从2级非归零（NRZ）调制转换为4级脉冲幅度调制格式（PAM4）。对于NRZ调制而言，测试技术和测试器件的发展已经较为成熟，而对于PAM4调制而言，测试方案有待优化，测试器件需更进一步的开发。

本文在研究PAM4测试关键技术的基础上对PAM4测试方案进行了探究，设计了一套简易的系统测试方案，特点在于接收端PAM4信号解调时能够基于原始输入信号的时钟及电平来进行阈值电平判决，之后通过OptiSystem仿真对该测试方案进行简单的验证和分析。

1.1 课题研究背景与意义

2013年5月13日，三星公司宣布其开发出首个基于5G核心技术的移动传输网络。诺基亚与贝尔公司于2016年8月4日在加拿大完成了5G信号的测试。2017年12月21日，在国际电信标准组织3GPP RAN的第78次全体会议上，5G NR首发版本正式发布，这是全球第一个可商用部署的5G标准。从此，移动互联通信开始向“万物互联”迈进。

5G时代的来临让传统NRZ（Non-Return-to-Zero）信号显得力不从心，而更高阶的调制方式中PAM4是目前最被看好的一种方式^[1]，它以等效NRZ的半波特率工作。在IEEE协会正在制定的802.3bs规范以及OI组织的CEI4.0规范中，PAM4信号的参数和参数被深入研究和定义。同时，64-Gigabit光纤通道和InfiniBand 600G HDR标准也将借鉴IEEE和OAM PAM4标准。

PAM4使用多级信令完全改变了过去以太网测试的预期。由于需要更复杂的收发器的电路设计和更完善的测试方案来解决PAM4挑战，因此业界需要新的开发技术和测试方案来实现PAM4组件和完善PAM4系统的测试。

目前，PAM4测试方面的技术难点主要在于时钟恢复，眼图歪斜和噪声。通常我们会使用示波器来用于发射机（TX）的输出测试，主要是测量抖动及验证眼图参数是否达到或超过标准要求。而比特误码率测试仪（BERT）则会作为接收端（RX）的输入测试的主要测量工具，来验证是否能从最坏情况下检测到正确的比特。对于PAM4来说，新的复杂性会增加测量挑战，在PAM4链路发展的早期阶段进行测试有助于了解损害链路性能的原因和机制。链路受损会与很多因素相关，例如时钟恢复、压缩以及器件的非线性等等。

对于更高的数据速率如56Gbps而言，链路必须进行均衡。由于信号速率的增加，信号传播的信道会使接收器处的信号失真，而接收端的眼图就会闭合，这将阻止接收器提取时钟和数据的能力，需要进行均衡以重新打开眼图，校正符号间干扰（ISI）并恢复时钟或数据。均衡方法一般有FFE（Feed-Forward Equalization,前馈均衡）、CTLE（Continuous Time Linear Equalizer,连续时间线性均衡器）、DFE（Decision Feedback Equalization，判决反馈均衡器）以及CDR（Clock Data Recovery，时钟恢复电路）。

目前虽然PAM4在实际应用的研究上已经有了一定的进展和突破，但据其被投入到商用阶段仍有很长一段路需要走，尤其是测试方面，虽然已有公司例如是德科技、泰克科技等公司在PAM4测试方面做出了不小的贡献，但整个行业对这一方面的研究仍较少，所以本文就是在此基础上预备对PAM4测试方面的一些知识做一些研究和探讨。

1.2 国内外研究现状

2011年，Szczerba等人用850nm VCSEL来实现基于PAM4调制的通信系统，该系统可在多模光纤中传输30Gbps信号，其传输距离可以达到200m。该系统用两个伪随机码发生器生成两路NRZ信号，然后根据输出偏压不同将其合成为一路PAM4 信号，误码仪中采用多电平阈值检测器来判别误码。而在2014年的ECOC中，他又提出了70Gbit/s的PAM4传输速率格式，且离线的均衡器被采用于该系统中^[2]。

2014 年的OFC上，Pavan等人宣布其实现了用PAM-4调制方式调制50Gbit/s信号，该系统采用的VCSEL的工作波长为1060nm，能在OM3光纤中传输200m，其PAM4序列发生器也是采用两个伪随机码发生器（SHF12124A）合并而成，而误码分析仪的检测方式采用的则是传统的检测方式（SHF 11100A）^[2]。

2015年3月，力科公司（Teledyne LeCroy）发布业内第一款用于示波器的PAM4信号分析软件^[3]。该分析套件能够对PAM4信号的三个眼图、抖动以及噪声进行测量^[3]。其公司的员工David Maliniak在2016年写了一篇很好的文章，解释了PAM4的基本原理。

2015年10月，泰克科技公司推出了针对PAM4信号测量的分析工具，该工具在DPO70000SX 70 GHz和DSA8300示波器上运行，支持光电接口^[4]。

2016年2月，是德科技（Keysight Technologies）推出了新的信号测量应用软件包，用于帮助工程师测试PAM4信号^[5]。2017年4月，其公司宣布行业领先的400G通信研发方案，这一方案不仅打通了从建模、设计到发射和接收验证测试的所有环节，而且设计仿真阶段就可以使用仪器仪表中的测试软件来分析和验证，后期样品的研发验证也可以用前期的仿真工具进行推理演算，不同担心研发不同阶段因工具不同而带来的差异^[5]。2018年，是德科技公司又推出了针对PAM4的新的测试方案。新推出的M8040A误码仪可产生32/64GBaud的PAM4信号，并且还能产生多种压力信号来全面分析信号质量。而任意波形发生器AWG M8195A/M8196A则可以生成较宽范围速率的PAM4信号，最高速率可达64GBaud，此外该AWG可为器件极限测试提供纯净的失真信号。最后，是德公司使用86100D采样示波器或N1092一体化光电眼图测试平台来应对PAM4研发中的发射机光/电接口信号的测试。

在2018年底信通院组织的5G光模块测试中，是德科技帮助完成了多厂商几十个种类光模块的所有光、电特性的参数测试，为5G光模块白皮书的发布做出了重要贡献。

2018年3月12日左右，IEEE已经初步批准可着手进行100G串行连结标准之订定，催生未来的800G以太网络标准。在此同时，一个拥有约70家成员公司的产业组织COBO (On-Board Optics)，则是发布了第一个为嵌入路由器与交换器主板之模块打造的规格，旨在为400~800G产品减少散热与功耗问题，以做为迈向未来光电整合零组件的第一步。

2019年3月，安立公司的总裁Hirokazu Hamada宣布推出安装于BERTWave MP2110A的四通道采样示波器选件，该器件可将示波器和误码仪集成在一台主机上。该系统能够支持各种方法，同时对未来技术保持高度灵活性。

2019年3月，Broadcom公司(NASDAQ：AVGO)推出了BCM87106 7-nm 100G PAM4 PHY。该器件采用Broadcom的7-nm Centenario 112G PAM4技术，适用于基于单波100G方法的应用，如100G DR，100G FR，400G DR4和400G FR4光学收发器。

2019年4月，中国移动研究院组织开展50GE单纤双向新技术测试，华为率先通过了测试。本次50GE单纤双向测试成功验证了10km和40km传输，标志着50GE单纤双向技术已逐步成熟，对5G承载网的商用具有重要意义。

而在协议标准方面，相关标准如下：

1.IEEE 802.3-2014 clause 94 (25.78 Gb/s as 13.6 GBaud PAM-4 in 1m backplane) • Low adoption rate – limited advantages over clause 93 – 25.78G NRZ

2. IEEE 400G Ethernet (P802.3bs) / CDAUI-8 – Electrical Optical SM 1310nm

3.OIF-CEI-4.0(56G) – lane enabler basis for standards below.

a. OIF-CEI-56G-XSR-PAM-4 (Extra Short Reach interface)

b. OIF-CEI-56G-VSR-PAM-4 (Very Short Reach interface)

c. OIF-CEI-56G-MR-PAM-4 (Medium Reach interface)

d. OIF-CEI-56G-LR-PAM-4 (Long Reach interface)

4. 64G Fiber Channel (highly leveraged from (a) and/or (b) above). Electrical MM 850nm

5. InfiniBand 600G HDR (highly leveraged from (a) and/or (b) above).

1.3 论文结构安排

本文共分为六章，主要结构及内容如下：

第1章为绪论，主要内容包括PAM4技术的发展历史与PAM4测试的发展状况。

第2章研究了PAM4调制解调原理的特点与PAM4技术难点。

第3章研究了PAM4系统的测试的参数指标及测试方法。

第4章分析了本文中设计的PAM4系统的测试方案，给出指定的参数指标。

第5章对上一章节中的测试方案进行仿真验证。依照IEEE802.3bs中的器件参数标准先于OptiSystem15软件中搭建一个背靠背的传输系统来测试该系统的性能，在测试结果达到指标要求后，再加入单模光纤、AWGN、OSNR模块，然后对50Gbps的单通道PAM4链路进行发射端的眼图测试和接收端的灵敏度及误码率的测试，最后对测试结果进行分析。

第6章将全文进行总结并对下一步工作提出一些想法。

1.4 本章小结

本章分析了PAM4技术的发展历史、PAM4系统测试的发展现状等，然后对论文的结构安排做了简单的介绍。

第2章 PAM4技术的研究

研究一个系统的测试方案就必须充分分析该系统的基本原理，故本章将先分析PAM4的调制和解调原理，再分析PAM4信号的特点，最后探讨一些PAM4技术难点和解决办法。

2.1 PAM4调制解调原理的研究

PAM4的全称为4 Pulse Amplitude Modulation（四电平脉冲幅度调制）^[6]，传统意义上，PAM的调制和解调是针对模拟信号而言的，而它也是抽样定理的一个应用，即将时间上连续的模拟信号变成一系列时间上离散的抽样值的过程，抽样及恢复的原理框图如图2.1。

图2.1 抽样定理的原理框图

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