车载高速SerDes下PAM4技术的应用

PAM4技术的原理和优势

NRZ和PAM4均为基带传输的编码方式，不同之处在于每个码元（symbol）携带的信息量。NRZ编码只有0和1两种可能的状态，每个码元携带1比特信息，而PAM4编码有四种可能的状态，因此每个码元携带2比特信息。这意味着PAM4仅需要一半的波特率即可实现与NRZ同样的数据率（图 1a），其对信道带宽的要求也相应减半（图 1b）。这就是PAM4技术相对NRZ技术的核心优势。


（a）

（b）
图 1：NRZ和PAM4在时域（a）和频域（b）的比较

更低的带宽要求意味着对信道损耗具有更高的容忍度，所以 PAM4 技术为系统商赋予了额外的灵活性：既能够在保持数据率不变的情况下降低信道中相关元件（线材、板材以及接插件等）的成本，也可以在维持现有成本结构的前提下，达成更远的传输距离或者更高的数据率。低带宽要求所带来的另一项益处是高频辐射的减少，这在复杂的车载电磁环境里显得尤为关键。除了系统层面的收益之外，由于波特率更低，PAM4相较于NRZ降低了电路的某些要求，例如 DFE 的反馈时间。

PAM4技术的挑战

PAM4技术虽然具有以上提及的优势，但是它同时也给电路和系统设计带来一系列挑战。设计者对这些挑战的理解和应对将决定整体方案能在多大程度上发挥PAM4的优势以提高性能和降低成本。

SNR降低

因为PAM4的每个码元有四种可能，在同样的信号幅度下，PAM4的信号区分度降低为NRZ的1/3，亦即SNR有20*log(3)=9.5dB的损失。基于同样的原因，PAM4对非线性失真、均衡误差、失调、时钟相位偏差、差分线对内偏差、模式转换、反射和串扰等都更加敏感，因此一般认为仅当PAM4的带宽降低使得信道损耗的降低超过11dB时，其优势才能体现。

图 2为两个不同信道的损耗特性，其在2GHz和4GHz时的损耗差分别为5.2dB（=12.2-7.0）和12.4dB（=19.1-6.7）。图 3所示则为8Gb/s的NRZ和PAM4信号经过这两个信道的眼图（纵坐标均为±500mV以便比较）。对于损耗差为5.2dB的信道，NRZ比PAM4的眼图更优。对于损耗差为12.4dB的信道，情况则正好相反，PAM4相对于NRZ具有明显优势。


图 2：两个不同信道的损耗特性



图 3： 8Gb/s的NRZ和PAM4经过损耗差为5.2dB（a）和12.4dB（b）的信道之后的眼图

CDR的挑战

NRZ 信号仅存在两种可能的码间跳变，然而 PAM4信号却增至十二种，如图 4所示。不仅如此，在这些可能的码间跳变当中，能够提供最佳时钟信息的可用组合仅有八种（图中红线所示）。码间跳变组合的增多意味着更大的硬件开销，而可用组合的减少则意味着更低的鉴相器增益及更高的时钟抖动。


图 4：PAM4信号的码间跳变

PAM4的时钟恢复相较于NRZ更为困难，然而其对时钟的要求却高于NRZ。图 5为相同波特率的NRZ和PAM4信号经过一个低损耗信道的眼图。由于码间干扰很小，NRZ的眼宽几乎为一个UI。与之相比，PAM4中间的眼宽约为60%个UI，上下眼宽更是由于非对称性而降低到仅半个UI左右。在同样的波特率下，这意味着PAM4对时钟抖动的容忍度比NRZ更低。这一特点也在高速SerDes的标准中有所体现，例如在A-PHY协议里，同样处于4G波特率的情况下，PAM4模式对发射端时钟抖动的要求相比于NRZ 模式几乎严格了一倍。


图 5：相同波特率的NRZ和PAM4信号经过低损耗信道的眼图

首传微的解决方案

首传微此次发布的套片，其全双工模拟前端以几乎无源的方式及早将上下行信号剥离，不仅在面对超过1V（单端，上下行合并）的信号幅度时无过压风险，允许在PAM4模式下使用更高的下行信号幅度，而且能在低功耗下仍然保证信号链路前端的高线性度。高精度的模拟电路配合后台全程运行的数字自适应算法将失调电压、下行码间干扰、上行回声和下行反射的影响控制在接近底噪的水平。在PAM4模式下，接收机的阈值也由算法全程监控，精确定位至眼图中央。所有这些举措共同作用，以实现信噪比的最大化。

为了满足车载应用对长期稳定性以及功能安全的严格要求，除了对信号链路的优化之外，首传微此次发布的套片还提供了大量的监测和校准功能，涵盖线缆故障、电源电压、温度、基准电压和电流、频率、带宽以及电阻等方面。仅以片上LDO为例，对多个工艺批次（包括FF和SS）的产品的测试结果表明，在不增加芯片面积和测试成本的前提下，其输出电压的标准差仅为0.3%左右。注意此测试结果不仅包括LDO本身的偏差，而且包括了芯片内置基准源的离散性。如此精准的控制一方面大大增强了产品的一致性和稳定性，另一方面也意味着更高的良率和更低的成本。

作为专门为车载环境量身定制的标准，A-PHY在协议层面提供了快速动态重传机制，以实现卓越的EMC性能。在此基础上，首传微此次发布的套片在电路级进行了额外的强化。内置展频功能、独特的电源噪声抑制以及闭环波形控制等技术降低了系统的对外辐射，而快速数据锁定等技术则增强了系统的电磁抗扰能力。

图 6（a）和（b）为VL7717S经过封装、EVB走线、连接器和测试线缆之后的实测NRZ及PAM4眼图。图 7（a）为经过线缆之后VL7724S输入端的PAM4眼图。图 7（b）则为经过VL7724S模拟均衡器之后片内眼图扫描的结果，注意VL7724S会对该眼图做进一步的数字均衡以提高裕量。受益于架构和电路的优化，首传微此次发布的套片在PAM4模式下的功耗比NRZ模式仅略有增加，其典型功耗比市场主流6Gb/s及以上方案降低超过30%。


图 6：VL7717S实测NRZ（4Gb/s）和PAM4（8Gb/s）眼图
 

图 7：VL7724S模拟均衡前（a）和均衡后（b）的眼图

首传微A-PHY SerDes套片VL7717S、VL7724S为车载高速远距离PAM4传输技术在中国的首家产品级实现，在国际上亦属领先。首传微将继续深耕车载SerDes及相关领域，致力于打造功能更加完备、性能更加优异、可靠性更高的产品系列，以满足客户的需求，为客户带来更加卓越的产品级体验。

敬请关注首传微的技术创新和产品动态，我们热忱欢迎广大客户洽询，以期更多的合作可能。