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PAM4的EMI特性会如何?

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发表于 2020-6-21 20:31:17 | 显示全部楼层 |阅读模式

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各位兄弟久违了,距离上次更新又有两月了。
一直想不到好的一个点来写些东西。
今天是周末,是父亲节,又是一个天文爱好者的节日。
杭州处于黄梅季节,今天大雨,自然看不到这个天文景象。
于是坐在电脑前码一些关于眼图的东西,码着码着,好像都挺普通的,网上到处都有。
遂删之。。。
兄弟我做了11年的通信EMC,对高速设计一直不敢掉心情,也略有心得。早年懵懵懂懂的SDRAM,吃尽苦头的DDR3,然后泰然处之的DDR4,再到后来的25GHz。
一路过来,成长颇多。
DDR3只缩成了一页PPT放在的PCB设计文档中,归结为同层同组同参考。
DDR4洋洋洒洒写了25页。
25GHz只留一下了一个成功的身影,就离开了。
今天就聊一聊扯一扯PAM4,因为其奇葩的眼图,让我决定翻翻资料。
整理一下,与兄弟们一些学习。

PAM4是PAM(Pulse Amplitude Modulation,脉冲幅度调制)调制技术的一种。,有PAM3(for IEEE P802.3bp)、PAM4(for IEEE802.3, 28/56/100/400GHz)、PAM5(IEEE P802.3ab)、PAM8(IEEE P802.3bm)...等多种不同位阶数的编码方式。PAM信号是继NRZ(NonReturn-to-Zero)后的热门信号传输技术,也是多阶调制技术的代表,当前已被广泛应用在高速信号互联领域。 NRZ和PAM4信号典型波形如下图所示。其中,右侧为NRZ和PAM4的光眼图对比,NRZ为单眼波形, PAM4为三眼波形(y轴方向存在3个眼状图形)。


                               
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RZ 编码(Return-to-zero Code),即归零编码,其特点是在每个信号单元的中间均有跳变,为接收方提供了自同步机制(接收方根据该跳变对本方的时钟基准进行调整)。


                               
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RZ(Non Return Zero Code)编码,NRZ编码也称为不归零编码。


                               
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NRZ与PAM4信号差异如下:
» NRZ信号采用高、低两种信号电平表示数字逻辑信号的1、0,每个时钟周期可以传输1bit的逻辑信息。
» PAM4信号采用4个不同的信号电平进行信号传 输,每个时钟周期可以传输2bit的逻辑信息,即 00、01、10、11。


                               
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这个图就能看出PAM4编码的优越性,只用了NRZ一半的空间就表达完了。


                               
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上图是PAM4的三种表达方式。


                               
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这个是眼图细节部分测试表达。
这些都是硬件角度的一些重点,我们切到EMC角度来看看。
EMC对这些高频信号重点都是关心的它的信号频率及其频谱分布。


                               
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单一56Gbps信号而言,PAM4制式其基频只有14GHz,而NRZ制式的基频是28GHz,足足少了一半,是不是很优越?
还记得当年攒机的时候拼命超频,自己搞EMI时一门心思想降频。只要性能能保证,绝不升频。


                               
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如果是上图这种16组26Gbps转8组26Gbaud架构的400GE光模块会如何?光模块内部用NRZ制式,是不是只有200GE的容量。从串扰角度讲,你喜欢16组的26Gbps还是喜欢8组的26Gbps,当然是8组的,这些差分耦合的共模总能量明显会少,虽然不是线性的一半。再看原始架构下,光模块自身NRZ制式是16组的13Ghz,而PAM4才8组的6.5GHz,这时候一比较在基频及总能量上PAM4都会优越很多。从这一层面上讲,同一样容量下,PAM4制式EMI性能会优先NRZ制式,这也是为什么这几年PAM4在高频场景应用越来越多的一个原因。当然,大部分人还是先看容量,EMC后面再说。
最后我再来看一个思科xiaoli一篇对比分析


                               
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这是一个开发板,三个IC都同时支持NRZ和PAM4制式,A1有接地的散热片,A2没有散热片,A3有不接地的散热片。不管是哪种制式,李工都基于同一个频率来测量研究,他设定为28GHz,是28Gbps NRZ制式2次谐波,是56Gbps PAM4制式2次谐波,即同一基频,容量差一倍。


                               
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时域内测VPP,两种制式幅度没有大的区别。


                               
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近场scan扫描,在A3处测得的值也相近。


                               
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混响室中测试,发现最高能量也相近。


                               
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电波暗室中测试发现,能量也相近。
从上述的几个比对测试看,同一频率下,不管是NRZ还是PAM4辐射能量都相近,这时候站在EMC角度好像没什么优越性,所以很遗憾。
但如果是相同的56Gbps容量,PAM4基频比NRZ小一半,这时候在同一高频点去测量,就会差很多(理论上是20db/10decad),作者并未研究。


                               
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散热片的接地方式不同,作者也测出了不同的值,我贴出来给兄弟们参考一下。


                               
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就这个参考板而言,A3接散热片会变差,只有四边都接地时,辐射才会最优,就相当于给A3做了一个屏蔽罩。


                               
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这是我2007写的一篇关于散热片的帖子,在老的站刊中还能看到。


                               
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这是散热片两点接地测得的数据。


                               
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这是4个接地点的数据。


                               
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这个不是接地的数据。
这个结论与李工的分析相近,原始的帖子里还有些意外情况及公式的分析,有兴趣的兄弟可以去扒一扒。

最后说一句,上面关于PAM4部分的东西来源于网络,自己小做整理,并未深入,有深入研究过的兄弟,请多多指教和分享。

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