PAM4-codierte Signale analysieren Neue Herausforderungen

Der Datenhunger unserer Gesellschaft wächst immer weiter: Um auch die Datenraten weiter zu erhöhen, werden neue Signal-Codierungen wie PAM4 verwendet. Auch die Herausforderungen an die Messtechnik werden dadurch immer größer. Wie können Oszilloskope bei der Überprüfung von PAM4-Codierungen helfen?

Das Streben nach immer höheren Datenraten stellt immer wieder neue Herausforderungen an die Technik. Auf der Seite der Messtechnik ergeben sich daraus Anforderungen, die in drei Gruppen aufgeteilt werden können: höhere Bandbreite und Abtast­rate, Anzahl der Kanäle, die gemeinsam erfasst werden können, und die Komplexität der erfoderlichen Analyse-Tools. Dafür bietet beispielsweise Teledyne LeCroys LabMaster-Serie die mit 100 GHz größte analoge Bandbreite und mit bis zu 80 Kanälen auch die größte Anzahl von Kanälen, die in High-Speed-Oszilloskopen gleichzeitig erfasst werden können. Daneben bietet diese Serie genauso wie die WaveRunner-Serie (siehe hier) Analysefunktionen wie die Analyse von PAM4-codierten Signalen. PAM4 ist ein Modulationsschema, das sich wachsender Beliebtheit erfreut, da es einen höheren Datendurchsatz als die bisher meist verwendete NRZ-Codierung ermöglicht.

Bis heute ist die NRZ-Codierung das Hauptmodulations-Schema für Datenübertragungen. Bei NRZ wird ein binäres Muster, zum Beispiel 0011010, in eine Reihe von festen Spannungswerten mit der niedrigeren Spannung als 0 und der höheren Spannung als 1 übersetzt (siehe das Signal M in Bild 1). Dabei nehmen wir eine Datenrate von 28 Gbit/s an.

Schaut man sich das Augendiagramm des NRZ-Signals an, so wird es eine Bitdauer T und eine Amplitude A zeigen. Die erforderliche Bandbreite der Übertragung ist 1/T. Je schneller die Bitrate, desto kürzer ist die Bitdauer und desto höher ist die Bandbreite.

Zusätzlich muss man den erforderlichen Signal-Rausch-Abstand (SNR) beachten, der von der Amplitude A abhängt. Je kleiner das Augendiagramm in vertikaler Richtung wird, umso schwieriger wird es, einen SNR aufrecht zu erhalten, mit dem das übertragene Signal im Empfänger richtig interpretiert werden kann.

Wie könnte man grundsätzlich die Anzahl der Bits, die von A nach B versendet werden, verdoppeln? Eine Möglichkeit wäre es, eine zweite Leitung oder einen zweiten Kanal zu verwenden. Auf dieser zweiten Leitung kann man ein anderes Bitmuster versenden, zum Beispiel 0101100 (siehe das Signal L in Bild 1). Aber dieser Ansatz hat einen entscheidenden Nachteil, denn jetzt benötigt man zwei Sender, zwei Leitungen und zwei Empfänger. Hierfür ist nicht notwendigerweise der zusätzliche Platz oder die erforderliche Versorgungsleistung verfügbar. Daher muss nach einer anderen Lösung gesucht werden.

Der nächste Ansatz wäre es, die beiden Datenreihen hintereinander, aber mit der doppelten Geschwindigkeit zu schicken. Statt einer 28‑Gbit/s-Leitung hätten wir dann eine mit 56 Gbit/s. In der gleichen Zeit, in der bei 28 Gbit/s ein Bit übertragen wurde, sind es jetzt mit 56 Gbit/s zwei Bit. Das wird in Bild 1 mit der Datenreihe ML dargestellt.

Das Augendiagramm für die ML-Übertragung zeigt immer noch die gleiche Amplitude wie bei M und L, aber die Bitdauer ist nur noch T/2. Die erforderliche Bandbreite als Kehrwert der Bitdauer ist damit 2/T. Der notwendige SNR abhängig von A ist gleich, aber die erforderliche Bandbreite hat sich verdoppelt. Also Licht und Schatten für SNR bzw. Bandbreite.

Es muss ein Weg gefunden werden, die Bitrate zu verdoppeln, jedoch ohne Verdopplung der erforderlichen Bandbreite. Hier kommt jetzt PAM4 ins Spiel. Bei PAM4 wird das L-Signal (Least Significant Bit) halbiert und zum M-Signal (Most Significant Bit) addiert. Das resultierende Signal hat jetzt vier anstatt zwei Spannungsstufen, von denen jede einem 2-Bit-Wert entspricht.

Das PAM4-Signal sieht aus wie M + L/2 im Bild. Der niedrigste Spanungswert entspricht 00, gefolgt von 01, 10 und 11. PAM steht für Pulsamplitudenmodulation, die 4 steht für die Anzahl der Spannungsstufen.

Ein Augendiagram für ein PAM4-Signal ist ungewöhnlich mit drei Öffnungen und vier vertikalen Stufen. Die Bit- (oder Symbol-) dauer ist T. Die Höhe der einzelnen Öffnungen ist dagegen nur jeweils A/3. Die erforderliche Bandbreite wird wieder 1/T. Das bedeutet, dass dieses Signal, das effektiv eine Datenrate von 56 Gbit/s hat, die gleiche Bandbreite erfordert wie das L- oder M-Signal, die nur über eine Bitrate von 28 Gbit/s verfügen. Allerdings ist das M+L/2-Signal mit einem SNR von nur noch A/3 dreimal anfälliger für Rauschen.

Dies bedeutet, dass man die Bitrate bei gleicher Bandbreite auf Kosten der SNR erhöht hat. Der Hintergrund ist allerdings, dass viele serielle Verbindungen nur eingeschränkte Bandbreiten haben. Es ist schwierig, viel mehr als 28 Gbit/s über eine längere Kupferverbindung zu übertragen. Wenn es aber etwas Spielraum für den SNR gibt, macht es Sinn, das PAM4-Schema zu erwägen.