SNDR-Spezi­fi­ka­tionen

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Bild 3: PAM4-Jitter- und Rauschen-Klassifizierung mit Keysight Advanced Jitter und Amplitude Analysis. Keysight

Das SNDR wird am Sender­ausgang gemessen, wobei die Sender in sämtlichen Lanes aktiv sind. Die Einstel­lungen aller Sender-Equalizer sind iden­tisch und die nicht getesteten Lanes übertragen Aggressor-Muster.

Zur Berech­nung des SNDR werden drei Para­meter benö­tigt, die aus dem PAM4-Messsignal (QPRBS13) extrahiert werden: Pmax, Sigma-e (σe) und Sigma-n (σn). Die IEEE-Spezi­fi­ka­tion ver­wen­det zur Beschreibung der Methoden und der Band­breiten einiger Messungen ein spezielles Vokabular. Dennoch lassen einige Mess­spezi­fi­ka­tionen Raum für Interpretation. Je nachdem, wie man diese Mehrdeutigkeiten in der IEEE-Spezi­­fi­ka­tion interpretiert, erhält man mehr oder weniger gute Mess­ergeb­nisse.

Pmax ist das extrahierte Maxi­mum der Pulsantwort (Bild 5). Die Messgerätespezi­fi­ka­tionen für diese Messung gehen sehr ins Detail und schreiben eine Band­breite von 33 GHz mit Bessel-Thomson-Charak­teristik vierter Ordnung (4BT) vor. Nicht spezi­fi­ziert ist, wie weit man dem Abfall der Bessel-Thomson-Kurve jenseits der Grenz­frequenz folgen soll, hier sind best practices gefragt. Es wird jedoch empfohlen, mindes­tens bis zum -6-dB-Punkt zu folgen, um Mess­geräte-induziertes Über­schwin­gen zu mini­mieren, das entsteht, wenn das Signal­ Frequenz­kom­po­nenten jenseits der Grenzfrequenz des Erfas­sungs­systems enthält. Deshalb benö­tigt man typischerweise ein Mess­gerät mit einer Erfas­sungs­band­breite von über 50 GHz.

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Bild 4: Auszug aus den 802.3cd-Interim-Spezifikationen für 50/100/200-GAUI-Sender. Keysight

Wie aus Bild 5 ersicht­lich ist, kann die Erfas­sungs­band­breite (BW) das gemessene Maxi­mum der Pulsantwort beeinflussen. Das nach IEEE-Spezi­fi­ka­tion (33 GHz 4BT) gemessene Maxi­mum beträgt in diesem Fall 473 mV; bei einer Erfas­sungs­band­breite von 19,5 GHz beträgt es nur 465 mV. Die Band­breite von 19,5 GHz dient in diesem Beispiel nur dazu, die Abhän­gig­keit des Mess­ergeb­nisses von der Erfas­sungs­band­breite zu demons­­trieren. Umge­kehrt hätte eine größere Band­breite als 33 GHz eine steilere Puls­antwort und ein höheres Maxi­mum zur Folge. Man beachte, dass die OIF-CEI-Spezi­fi­ka­tionen eine Erfas­sungs­band­breite von 40 GHz 4BT vorschreiben und in diesem Punkt von den IEEE-Spezi­fi­ka­tionen (33 GHz 4BT) abweichen.

Sigma-e (σe) ist die Standard­abwei­chung des linearen Anpas­sungs­fehlers der erfassten Pulsantwort. Für Sigma-e sind keine Mess­geräte-Spezi­fi­ka­tionen vorge­geben; auch hier sind best practices anzuwenden. Viele Fachleute inter­pre­tie­ren die Gleichung dahin­gehend, dass Sigma-e mit der gleichen Erfas­sungs­band­breite zu messen ist wie Pmax – obwohl die aktu­ellen 802.3bs-Spezi­fi­ka­tionen das nicht vorschreiben. Mit Blick auf das Ziel, das SNDR zu maxi­mieren, sollte Sigma-e so weit mini­miert werden, wie die Spezi­fi­ka­tionen es erlauben.

Betrachtet man die Emp­fän­gerseite (Rx) der Verbin­dung und ins­beson­dere das in den Channel-Operating-Margin-(COM)-Spezi­fi­ka­tionen beschrie­bene RX-Modell, stellt man fest, dass die Band­breite der RX-Modelle durch ein Butterworth-Filter auf 3/4 der Symbolrate, nämlich 19,5 GHz, begrenzt ist. Deshalb wurde auch für die Vergleichsmessung (Bild 5) diese Frequenz gewählt.

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Bild 5: Pulsantworten bei zwei verschiedenen Erfassungsbandbreiten. Keysight

Aus der Definition des Emp­fän­ger-Rausch­filters ergibt sich für die Sigma-e-Erfas­sungs­band­breite eine untere Grenze von 19,5 GHz und eine obere Grenze von 33 GHz. Natür­lich ist es vorteilhaft, hoch­frequentes Rauschen oder Verzer­rungen bei der Berech­nung des linearen Anpas­sungs­fehlers weitest­gehend zu mini­mieren. Es ist einfacher, eine lineare Anpas­sung auf ein Signal anzuwenden, das nur rela­tiv niedrige Frequenz­kom­po­nenten enthält, als auf eines, das Harmonische höherer Ordnung enthält. Um bei dem Beispiel von Bild 5 zu bleiben: Bei einer redu­zierten Band­breite von 19,5 GHz 4BT ist der lineare Anpas­sungs­fehler um 4,8 Prozent kleiner als bei 33 GHz 4BT (8,084 mV versus 8,5 mV).

Sigma-n (σn): Mit dem gleichen Transmitter-Equalization-Setup wie für σe wird in Abständen von jeweils 8 UI die mittlere Span­nung an einem festen Punkt in dem Test­muster gemessen. Die effektive Abwei­chung wird für jeden der PAM4-Pegel gemessen, und der Mittel­wert der vier Mess­werte σn. Bezüglich der Erfas­sungs­spezi­fi­ka­tionen sind auch hier wieder best practices angesagt. Intuitiv ist klar, dass man von einer Reduk­tion der Erfas­sungs­band­breite (und ent­sprechend gerin­gerem Eigen­rauschen) profi­tie­ren würde. Auch hier bietet sich wieder die Mindest-Band­breite für das Rx-Modell an, nämlich 19,5 GHz 4BT.

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Bild 6: Automatisches PAM4-SNDR-Konformitätstestsystem, bestehend aus Keysight 86100D DCA-X plus N1085A PAM4-Analysis. Keysight

σn und σe Zusammenfassung: Das von der IEEE-Spezi­fi­ka­tion vorgeschriebene Mindest-SNDR von 33 dB ist sehr hoch. Das bedeutet, dass nur noch eine winzige Marge für mess­geräte­induzierte Fehler- und Rauschbeiträge übrigbleibt. Um die Spezi­fi­ka­tion zu erfüllen, muss der Wert von Pmax in der SNDR-Gleichung maxi­miert werden, und die mess­geräte­induzierten Beiträge zu den Werten von Sigma-e und Sigma-n müssen mini­miert werden. Mit fortschreitender Emp­fän­ger­techno­logie (größerer Dyna­mik­bereich) und verbes­serter Hand­habung verrauschter Signale sind auch größere SNDR-Werte zu erwarten. Wenn man sich die teils beabsichtigten Inter­pre­ta­tionsspielräume und unvoll­ständig beschrie­benen Mess­bedingungen in den Spezi­fi­ka­tionen genau anschaut und sie versteht, kann man sich für diejenigen best practices entscheiden, mit denen man die besten SNDR-Ergeb­nisse erhält.

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