1. მრავალდონიანი სიგნალი Multi-level signaling
ელექტრო-მაგნიტური თავსებადობისა და სიგნალის მთლიანობის თანამედროვე ამოცანები
ლექცია 4
მრავალდონიანი სიგნალი
Multi-level signaling
გიორგი ვეშაპიძე
ასოცირებული პროფესორი, ილიას სახელმწიფო უნივერსიტეტი, საბუნებისმეტყველო მეცნიერებებისა და საინჟინრო ფაკულტეტი
ნანა დიხამინჯია
ასისტენტ პროფესორი, მისურის მეცნიერებათა და ტექნოლოგიების უნივერსიტეტი,
ელექტრული და კომპიუტერული ინჟინერიის ფაკულტეტი,
ელექტრომაგნიტური თავსებადობის ლაბორატორია

2. მრავალდონიანი სიგნალი
მაღალ სიჩქარეზე ზრდადი მოთხოვნა - არხის სიხშირეთა დიაპაზონის შეზღუდვა
NRZ 1 1
00=0 1
01=1
11=2
10=3 1
NRZ 2 1 10 11 3 2 1
PAM4 01 00
NRZ to PAM4 – Gray Encoding
მაღალი სიჩქარეები: NRZ - PAM4
შესაძლებელია არხების დიზაინის გაუმჯობესება ბინარული სიგნალით უფრო მაღალი სიჩქარის მისაღწევად:
ნაკლებდანაკარგიანი მასალა;
ოპტიმიზირებული დიზაინი;
შესაძლებელია არსებული სისტემების გადაყვანა შემდეგ სიჩქარეზე ნაკლები დანახარჯებით მრავალდონიანი სიგნალის გამოყენებით

3. PAM4 -თან დაკავშირებული სტანდარტები
IEEE 802.3bj™ - IEEE Standard for Ethernet Amendment 2:
Physical Layer Specifications and Management Parameters for 100 Gb/s Operation Over Backplanes and Copper Cables
სიჩქარის განვითარება
2 მიმართულება
100GBASE-KP4 - NRZ encoding - ბინარული
8 lane PHY for operation over a PCB backplane;
Insertion Loss of <= 35 dB at ~12.9 GHz
2. 100GBASE-KP4 - PAM 4 encoding - ოთხდონიანი
4 lane PHY for operation over a PCB backplane;
Insertion Loss of <= 33 dB at ~7.0 GHz
IEEE HSSG Tutorial
Ethernet Alliance
IEEE სტანდარტები
As we see, pam4 becomes part of standards for ethernet, as standards go along with the data rate increase predictions.
802.3bj actively discussed pam4 for 100 gb/s operation over backplanes and copper cables and defined two markets:
In 2013, study group formed to discuss 400 gb/s possiblity. Before that, standards were increasing 10 times, 10 Gb, 100 gb. But 1 terabit would be too difficult, so
Now 400 gbe is under discussion. In 2014, based on recommendations of the study group, task force was created.
As it can be seen for the task force public discussions, pam4 will also play active part in the next standard ammendment.
IEEE 802.3bs 400 Gbps Ethernet (400 GbE) Task Force, 2014:
Ethernet Media Access Control (MAC) parameters - Physical layer specifications;
Management parameters for Ethernet transmission

4. PAM4 სიგნალში გარდაქმნა
ბინარული სიგნალის გენერირება
PAM4 სიგნალში გარდაქმნა

6. მაღალი რიგის მრავალდონიანი სიგნალები

7. PAM4 ძირითადი უპირატესობები
PAM-4 სიხშირე = NRZ სიხშირის ნახევარი IL
40 Gbps
სიგნალის ნაკლებ შემცირებას
-20 dB
-34 dB
PAM4 Nyquist Frequency
NRZ Nyquist Frequency
IL and Xtk
40 Gbps
Xtk/IL at PAM4 Nf < Xtk/IL at NRZ Nf
14dB
-16dB
Let’s discuss general theoretical advantages of pam4.
First, it can be easily seen that because baud rate of pam4 is half of baud rate of NRZ, we have significantly less loss at nyquist frequency for each signal.
For example, for this channel we can see difference in insertion losses at nuquist frequencies corresponding to both signals for the same speed is -14 dB.
2. Also, xtk is often high-pass nature. Again, for this channel, il to xtk ratio for 40 gbps is 14 dB for pam4 and -16 dB for NRZ.
3. And because symbol size or unit interval of pam4 is twice that of NRZ, due to half baud-rate, pam4 would be less susceptible to jitter.
But we can’t make conclusions based on these points, as pam4 also introduces a lot of difficulties comparing to NRZ.
NRZ
PAM4 UI
PAM4 სიმბოლოს ზომა = 2* NRZ სიმბოლოს ზომა UI
PAM4 ნაკლებად ფუჭდება რხევის შედეგად

8. PAM4 სირთულეები 4 დონე ქმნის 3 თვალს 16 გადასვლა დონიდან დონეზე
So what are these difficulties?
Managing one eye is pretty complex task in signal integrity and pam4 introduces 3 eyes – where the middle eye is always different from upper and lower eyes even in ideal simulations. And because 4 levels has complex structure, it becomes difficult and crucial to define proper slicers.
even simulation wise, it is more difficult to separate these eyes and interpret each separately. It effects dfe equalizer and it might give incorrect BER contours, if not considered very cautiosly.
2. So in NRZ we have 2 levels and 4 transitions 01, 11, 10, 00.
With pam4 we see 4 levels and 16 transitions. Especially interesting are 12 transitions from different levels – 3 for each level, as it is related to rise-fall time.
Every discusion of pam4, ours among them, assumes that each transition has the same rise-fall time, as it would be really difficult to interpret pam4 eye in the usual sense, with the methods developed with NRZ, if it would have proportional rise-fall times for each level.
So vendors try to have the same rise-fall time for every transition, but in reality it is difficult to achieve and it adds additional jitter to pam4. this jitter would be different from NRZ jitter and would require own methodology to manage. In our simulations we assume that we have exactly same rise-fall times.
3. Generally, at least in simulations, NRZ eye is symmetric to the horizontal slicer.
With pam4 we have the same with the middle eye, but not with the upper and lower eyes.
This also makes it more difficult to interpret eye results correctly. And we are interested in upper or lower eye more than in middle, as middle eye is usually larger than other two eyes.
PAM4 ზედა და ქვედა თვალი არ არის სიმეტრიული ჰორიზონტალური მკვეთების მიმართ

9. PAM4 სირთულეები PAM4 გააჩნია თანდაყოლილი რხევა
რხევების ანალიზის სირთულეები
Because of 4 levels, it is hard to define what data dcd means for pam4. I couldn’t find any definition of data dcd jitter in the literature. it could be this, or it could be this, or if we
Consider that usually pam4 is a sum of two nrz signals and each nrz signal can have its own duty cycle distortion, than the difficulcy increases significantly.
So now we just can use receiver clock dcd jitter, effect of which we can see on this picture.
Also, We said earlier that pam4 ui is twice of nrz ui. But in reality it doesn’t mean that pam4 eye width is always twice that of NRZ. I’ll explain it in details in the next slide, but here I just need to say that pam4 has inherent transition jitter.

10. PAM4 გენერირების მეთოდები
მეთოდი 1: ორი ამპლიტუდურად შეწონილი ბინარული სიგნალი კომბინირდება
მეთოდი 2: ციფრულ-ანალოგური კონვერტორის გამოყენებით

11. FFE ეკვალიზაცია

12. წრფივი ეკვალიზაცია

13. Decision Feedback Equalizer გადაწყვეტილებაზე რეაგირების ეკვალიზაცია

14. პულსის მახასიათებელი
PAM4 UI
ISI -UI 1
ISI - UI 2
ISI - UI 3
ISI - UI 4
NRZ UI
UI 1
UI 2
UI 3
UI 4
UI 5
UI 6
UI 7
UI 8
UI 9
ბინარული სიგნალის პულსის მახასიათებელს ორჯერ გრძელი კუდი აქვს, შესაბამისად DFE ეკვალიზაციის გამოყენებისას ორჯერ ნაკლები ტაპების რაოდენობა დასჭირდება

15. სტატისტიკური სიმულაცია
პულსის მახასიათებელი

16. სტატისტიკური სიმულაცია

17. კონტურების გათვლა
CDF converted to logarithmic scale.