Darbe genlik modülasyonu (PAM) halihazırda yüksek hızlı dijital iletişimde yaygın olarak benimsenen bir teknolojidir. Ancak seri veri standartlarında neden her yerde bulunur hale geldiğini anlamak için öncelikle veri ağı endüstrisini yönlendiren pazar güçlerini anlamanız gerekir. Bu makalede, PAM4'ü faydalarından ve potansiyel dezavantajlarından günümüzün gelişmekte olan teknolojilerini mümkün kılan önemli bir yenilik olmasına kadar derinlemesine inceleyeceğim. Ayrıca doğru araçlarla test ederek ve ölçerek PAM4 ile nasıl geliştirme yapacağınızı da öğreneceksiniz.
PAM4 daha hızlı veri merkezi ağları sağlar
Yapay zeka ve makine öğrenimi gibi yoğun verili teknolojiler giderek popülerlik kazanıyor. Bu teknolojiler için temel altyapı görevi gören veri merkezlerinin, algoritmaları işlemek ve çalıştırmak için verimli bir şekilde ölçeklendirilmesi gerekiyor. Son on yılda ağ endüstrisi, elektrik kablolarından optik kablolara geçiş ve daha hızlı veri standartlarının geliştirilmesi de dahil olmak üzere üstel veri işleme taleplerini karşılamak için birçok yenilik geliştirdi.
Daha hızlı veri standartları gecikme süresini azaltır ve veri merkezi sunucularındaki işlem hızlarını artırır, ancak daha hızlı veri protokolleri tanımlanırken karmaşık fiziksel zorluklar mevcuttur. Fiziksel katmanda, PCB izleri ve sunucu ara bağlantıları gibi elektrik kanallarından geçen sinyaller 25 Gb/s bant genişliği sınırına ulaşmaya başlar. Bir sinyal bir kanaldan ne kadar hızlı iletilirse, kanalın bant genişliğini sınırlayan, sinyali gürültü, titreşim ve alıcının yorumlamasını zorlaştıran diğer bozulmalarla bozan sinyal bütünlüğü sorunlarından o kadar fazla etkilenir. Kanal ekleme kaybı bu frekansta kurtarılabilir bir bit hata oranını korumak için çok yüksek hale gelir.
O zamanlar 100G Ethernet'ten 400GE ağlarına geçiş yapmanın tek yolu 25 Gb/s kanal sayısını dört şeritten on altı şeride çıkarmaktı. Ancak bu, bir veri merkezindeki her sunucu ve bağlantı noktası için fiziksel olarak hantal ve pahalı bir uygulama olacaktı. IEEE, 2017 yılında bu sorunu sırasıyla dört ve sekiz 56 Gb/s şerit (28 GBaud PAM4) üzerinden 200GE ve 400GE ağlarını tanımlayan 802.3bs standardıyla çözdü.
PAM4 nedir?
PAM4, elektriksel veya optik olabilen dört seviyeli darbe genlik modülasyonlu bir sinyaldir. Geleneksel olarak, dijital sinyaller iletim için 0 ve 1 olmak üzere iki seviyede kodlanır. Önceki nesil seri veri standartları sıfıra dönüşsüz (NRZ) kodlama kullanarak bitleri aralarında çok az geçiş süresi olan farklı yüksek ve düşük voltajlı sinyaller haline getirmiştir. Teoride bu bir kare dalga gibi görünür, ancak bir osiloskopta sinyallerin saat döngüleri arasında bir geçiş süresi vardır.
Şekil 1: NRZ sinyali (üstte) ve göz diyagramı (altta)
Darbe genlik modülasyonu, verileri birden fazla voltaj seviyesinde kodlayarak bu konsepti geliştirir. PAM4 dört seviye kullanır. Bir PAM4 sinyali her saat döngüsü sırasında dört voltajdan biri olarak görünebilir, her voltaj seviyesi NRZ kodlu sinyal gibi tek bir bit yerine iki veri bitini temsil eder.
Şekil 2: PAM4 sinyali (üstte) ve göz diyagramı (altta)
PAM4 nasıl çalışır?
IEEE standardı üzerinde çalışan geliştiriciler Shannon-Hartley teoremini kullanarak kanal bant genişliğini (B) artırmadan sinyalin modülasyon seviyesini (M) artırarak kanal veri kapasitesini (C) artırabileceklerini keşfettiler.
C = 2*B*log2(M)
Bir çipin PHY devresi, seri verileri iletim için belirli voltajlara kodlar. Bir NRZ kodlama PHY'si her biti alıp basitçe her “0 ‘ı 0 V ve her ’1 ”i 5 mV olarak çıkarabilir, ancak daha karmaşık kodlama şemaları da mevcuttur. Tersine, bir PAM4 kodlama PHY'si her iki veri bitini gruplanmış olarak alabilir ve bunları şu şekilde kodlayabilir: “00” = -5 mV, ‘01’ = -1,5 mV, ‘10’ = 1,5 mV ve ‘11’ = 5 mV. Kanalın diğer ucundaki cihaz sinyali alır ve 1,5 mV'nin “1” ve “0” bitleri olarak çözülmesi gerektiğini anlar ve bu böyle devam eder.
PAM4'ün avantajları ve dezavantajları nelerdir?
PAM4'ün en önemli avantajı veri hızındaki artıştır. Bir PAM4 sinyalinin veri hızı, her “sembol” iki bit içerdiğinden baud hızının veya sembol hızının iki katına eşittir. Bu nedenle, vericinin hızını artırmadan veya sinyali ekleme kaybına uğratmadan iki kat daha fazla veri kapasitesi elde edersiniz. Bu avantajla birlikte optik alıcı-vericilerde, kablolarda ve ara bağlantılarda daha az şerit ihtiyacı ortaya çıkar; 800GE ağı on altı adet 50 Gb/s NRZ şeridi yerine sekiz adet 100 Gb/s (50 GBaud PAM4) şeritle taşınabilir.
Öte yandan, PAM4'ün bazı dezavantajları vardır. PAM4 cihazları NRZ cihazlarına göre gürültüye karşı çok daha hassastır çünkü iki seviyenin aynı genlik salınımına dört sinyal seviyesi sığdırılmıştır. Her seviyenin, bir alıcının bir sembolün değerini yorumlamak için kullandığı belirli bir voltaj eşiği vardır. PAM4 eşikleri doğal olarak NRZ eşiklerinden daha küçüktür ve herhangi bir dikey gürültü veya zamanlama titreşimi sinyalin uygun eşiklerin dışına düşmesine neden olabilir.
Şekil 3: Modülasyon seviyesi arttıkça gürültü marjları azalır
FEC'in dezavantajı, yedek bitlerin protokol verileriyle aynı kanalı kullanması ve veri hızını biraz düşürmesidir. Ayrıca, verileri kodlayan ve kodlarını çözen DSP'ler, yüksek hızlarda sinyal bütünlüğünü korumak için gereken eşitleme gibi işlem gücü kullanır. Güç tüketimi ve ısı dağılımı, veri merkezi geliştiricileri ve ağ ekipmanı üreticileri için önemli endişelerdir. Bununla birlikte, FEC, PAM4 kodlu sinyallerin sinyal bütünlüğünü korumanın bazı zorluklarını azaltır.
Geliştiriciler bu dezavantajın üstesinden filtreleme yaparak, karar geri besleme eşitlemesi (DFE) kullanarak veya ileri hata düzeltme (FEC) uygulayarak gelebilirler. FEC, alıcının verileri doğru bir şekilde yeniden yapılandırabilmesini sağlamak için özel hata düzeltme kodu algoritmaları kullanarak seri bit akışlarına yedek veriler ekler ve test spesifikasyonlarına uymak için bit hata oranını azaltır.
PAM4'ün uygulamaları nelerdir?
PAM4, IEEE 802.3 ve OIF-CEI Ethernet standartları gibi birçok dijital veri standardı tarafından benimsenmiştir. O zamandan beri, PAM4 diğer iletişim standartlarının bir parçası haline gelmiştir. PCIe® 6.0, 2022 yılında PAM4'ü benimsemiştir. USB-IF kısa süre önce PAM3 sinyalizasyonunu kullanan USB4 Sürüm 2.0 ile darbe genlik modülasyonu sularına ayak parmaklarını daldırdı.
İlgili teknolojiler PAM4'ün arkasındaki ana fikri daha yükseklere taşımaktadır. Ethernet SERDES liderleri sembol başına daha da fazla bit iletmek için PAM6 ve PAM8'i düşünmüşlerdir, ancak gürültü marjları bunun işe yaraması için çok küçük olabilir. Tutarlı optik, uzun mesafeli optik iletişim için çok seviyeli modülasyonu iki veya daha fazla boyuta genişleterek iletim hızını ve verimliliğini artıran karmaşık bir modülasyon yöntemi olan karesel genlik modülasyonunu (QAM) kullanır.
PAM4'ü nasıl ölçersiniz?
Çok seviyeli sinyalleşmenin yaygınlaşmasıyla birlikte, yüksek hızlı dijital geliştiriciler cihaz performanslarını test etmek için ölçüm bilimi anlayışlarını genişletmelidir. PAM4 sinyalleri yalnızca çok yüksek baud hızlarında hareket ederek bunları ölçmek için daha yüksek bant genişlikli cihazlar gerektirmekle kalmaz, aynı zamanda düşük gürültü ve titreşim eşikleri, bunları doğru bir şekilde ölçmek için osiloskop ve probda olağanüstü düşük içsel gürültü ve titreşim gerektirir.
Geliştiriciler, PAM4 verici cihazlarını karakterize etmek için yeni verici test ölçümleri gerçekleştirmelidir. Bu ölçümlerin ayrıntıları ve marj gereksinimleri veri standardına özgüdür ancak genellikle sinyal-gürültü ve bozulma oranı (SNDR), yükselme ve düşme süresi, 12 kenarlı titreşim ve verici dağılımı ve göz kapatma dörtlü (TDECQ) ölçümlerini içerir. Verici performansı genellikle göz yüksekliği ve genişliği ölçülerek tanımlanır, NRZ'ye göre temel zorluk artık ölçülmesi gereken bir yerine üç göz olmasıdır. “Kapalı göz”, sinyali eşiklerinin dışına çıkaran gürültü ve titreşim nedeniyle sinyal okunamadığında ortaya çıkar. FEC ve eşitleme ile gözü açık tutmak, cihazlarının birlikte çalışabilirlik testlerini geçmesini isteyen geliştiriciler için çok önemlidir.
Şekil 4: Keysight Infiniium UXR serisi gerçek zamanlı osiloskop ile PAM4 gürültü ölçümleri
Günümüzün 100 Gb/s Ethernet alıcı-verici sinyallerini veya 64 GT/s PCIe 6.0 sinyallerini ölçmek, en az 50 GHz bant genişliğine ve mümkün olduğunca yüksek örnekleme hızına ve ADC çözünürlüğüne sahip bir osiloskop gerektirir. Keysight Infiniium UXR-B Serisi osiloskoplar, bu tür ölçümler için özel olarak tasarlanmıştır. PAM sinyal analizi için osiloskop yazılımı, osiloskopa PAM4 cihazlarında hata ayıklama ve doğrulama için gerekli ölçümleri yapma araçları sağlar. Hatta PAM6 veya PAM8 gibi daha yüksek modülasyon şemalarına yönelik araştırmalar için geleceğe hazırdır.
400G / 800G Elektrikli Verici Uygunluğunun Nasıl Test Edileceğini Öğrenin
Alıcı testleri PAM4 cihazları için daha karmaşıktır. PAM4 alıcı testlerinde “FEC-aware” bit hata oranı test cihazları (BERT'ler) ile FEC dikkate alınmalıdır. USB4 Sürüm 2.0 gibi diğer standartlar, uzun bağlantılarda sinyal bütünlüğünü korumak için retimer kullanır, bu nedenle retimer ve kablo uyumluluk testleri de yapılmalıdır. Alıcı testi, yüksek veri hızlarında gerçek dünyadaki bozulmaları taklit etmek için PAM4 stresli sinyaller üretecek ve cihazın bit hata oranı gereksinimlerini karşılayıp karşılamadığını belirlemek için hataları ölçecek ekipman gerektirir. Cihaz PHY performansının test edilmesi, yüksek frekanslı keyfi dalga formu jeneratörleri ve BERT'ler kullanılarak gerçekleştirilir.
Optik alıcı-verici testi için, Katman 1 BERT, FEC ve Katman 2 desteğine sahip çok portlu ağ testi çözümleri, cihazları IEEE ve OIF birlikte çalışabilirlik standartlarına göre test etmenin karmaşıklığını hafifletebilir.
PAM4 Alıcı Sinyallerini Analiz Etmeyi Öğrenin
Sonuç
PAM4, günümüzün yüksek hızlı veri iletişim standartlarında artık iyice yerleşmiştir ve her yıl yeni nesil standartlar tarafından benimsenmektedir. Her fiziksel katman geliştiricisi veya test mühendisi, PAM4'ün arkasındaki kavramları ve en iyi bilgileri elde etmek için uygun test ekipmanını kullanarak en güvenilir, doğru ölçümleri nasıl yapacağını iyi anlamalıdır.
