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本文始於2017.06，並於2020、2022、2024更新。目標是介紹各種多階式訊號源的基本觀念，以及示範ANSYS模擬工具在這方面的能力。

  1. Introduction

  2. PAM4 source in Designer

  3. MIPI source in Designer

  4. 問題與討論

    4.1 PAM-N的級數N越大越好嗎?

    4.2 NRZ與PAM4何者EMI表現較好?

    4.3 多高速的SerDes使用PAM4比NRZ好?

    4.4 Step2.2的PAM4設定視窗中有一個[Gray] code，是什麼作用?

    4.5 AEDT circuit可以產生PAM3、PAM5、PAM6、PAM8與PAM16訊號嗎?

  5. Reference

  1. Introduction 

    2. 1.1 PAM是脈波振幅調變Pulse-Amplitude Modulation的縮寫，有PAM3(for IEEE P802.3bp)、PAM4(for IEEE802.3, 28/56/100/400GHz)、PAM5(IEEE P802.3ab)、PAM8(IEEE P802.3bm)...等多種不同位階數的編碼方式，常用於高速數位訊號的傳輸。

    與只有(0,1)兩個位階狀態的傳統編碼(如NRZ)相比，PAM4有(-3,-1,1,3)或說(0,1,2,3)四個位階狀態[1]p.23。從頻域的觀點來看，相同的資料傳輸率，PAM4所需的頻寬為NRZ的一半，也就是說相同的通道頻寬下，PAM4傳輸的資料量會是NRZ\PAM2的兩倍，這就是PAM4最近幾年火紅的原因。在2016年DesignCon有八篇談PAM4 [1]，2017年DesignCon有三篇談PAM4。[2][3]

    下圖PAM2/NRZ的每個bit unit，包含一個數位資訊(0或1)；但PAM4的每個bit unit，可包含兩個數位資訊(e.g. 00,01,10或11)。

    不同的PAM-N傳輸，除了在時域上看到波形不同外，背後搭配著不同的編碼與解碼機制，IC端Tx\Rx model也不同

    PAM4雖然傳遞的訊息量增比NRZ\PAM2加一倍，但眼高變成1/3，所以對於通道的SNR要求也會提高 (所以PAM-N級數N不是越大越好)

    1.2 MIPI是行動產業處理器界面Mobile Industry Processor Interface的縮寫，其訊號的實體層有定義D-PHY、M-PHY、C-PHY三種，其中的C-PHY訊號跟PAM4很像， 也是有四種位階振幅，但主要的差異是四個位階彼此間的距離不是等距的(中間的眼高是上下眼高的兩倍)

    而C-PHY訊號的產生方式，是由一組三相的訊號兩兩相減出來的，如下圖所示的關係

    請注意上圖MIPI訊號(VA-VB)，不管是從最低到最高(strong0 -> strong1)或是從次低到次高(weak0 -> weak1)，上升時間與下降時間差異相對來說較小，也就是上升緣與下降緣的斜率是會變化的。不只有MIPI有這特性，所有的PAM-N訊號也都是這樣。

  2. PAM4 source in Designer 

    3. From R18, ANSYS Electronics Desktop (AEDT, as known as Circuit Designer) supports PAM4 with EYESOURCE or IBIS-AMI component supporting PAM4. [4]

    2.1 28G NRZ uses 35.7ps as an UI (bit time unit)

    2.2 28G PAM4 uses 71.4ps as an UI

  3. MIPI source in Designer 

    4. 2024R1以前Designer circuit需要透過特殊方法才能產生MIPI(C-PHY)訊號，但自24R1起AEDT circuit內建MIPI source。

    MIPI訊號是Va-Vb、Vb-Vc或Vc-Va，而Va、Vb、Vc本身雖然也是三階的訊號，但與PAM3不同，其眼圖中間電壓大小不是0V。

    上圖的模擬結果若與下圖實際量測訊號比較，會發現明顯不同，量測眼圖的左邊緣重疊顯示較密

    這是因為量測疊眼圖時是以右邊緣觸發對齊，如果要在模擬得到與量測同樣的效果，請參考這裡

  4. 問題與討論

    5. 4.1 PAM-N的級數N越大越好嗎? 

    Ans：No. 目前使用最多的是PAM4，而DesignCon2017有一篇PAM4 vs. PAM8的比較分析，一般的情況下PAM4是比較好的。[2]

    4.2 NRZ與PAM4何者EMI表現較好? 

    Ans：They are very similar for EMI.[7]

    4.3 多高速的SerDes使用PAM4比NRZ好? 

    Ans：

    原始的NRZ眼高是PAM4的 三倍，隨著訊號頻率增加(傳輸線上的loss增加)，兩者的眼高都會下降(但NRZ的眼高隨頻率增加下降的快)，當data rate達35Gbps時，兩者的眼高會交會(crossover at 35Gbps)。所以35Gbps以上，或high loss的傳輸線，使用PAM4會較有優勢。 [5]p7,26, [6]p.16

    4.4 Step2.2的PAM4設定視窗中有一個[Gray] code，是什麼作用? 

    Ans：

    採用Gray code比起Linear code的好處是：四個位階中，Gray code的相鄰位階所代表的數位資訊差異最多只有一個bit，也就是說，當傳輸錯誤發生時，Gray code最多一次只會錯一個bit (one bit error per symbol)，所需要的錯誤碼校正只要有修復一個bit的能力就足夠 ，所以Gray當然是比較好的。[1]p.23

    比方說把level2的訊號誤判成level3訊號；對於Linear code時是01誤判成10，兩個bit都錯了，但Gray code時是01誤判成11，只錯1個bit。這是數位通訊裡的編碼學理論，有興趣的人可以去找這方面的書研究一下。

    使用Gray code或Linear code，影響的是暫態分析時的訊號四階高低出現順序不同，但對於最後疊的眼圖結果幾乎沒有影響

    4.5 AEDT circuit可以產生PAM3、PAM5、PAM6、PAM8與PAM16訊號嗎? 

    Ans：Yes，而且方法還不只一種，可以用VCVS電路兜出來，可以寫Verilog-A產生，以及其他方法[8]。

    特別提醒，MLT3與PAM3雖同樣是3-level且振幅準位間隔相同, 但轉態組合的涵蓋率不同，不要搞混。

  5. Reference 

[1] Hongtao Zhang, Xilinx Inc., "PAM4 Signaling for 56G Serial Link Applications − A Tutorial", DesignCon2016.

[2] Min Wu, Xilinx Inc., "112Gbps Serial Transmission over Copper–PAM4 vs PAM8 Signaling", DesignCon2017.

[3] Geoff Zhang, Xilinx Inc., "A Tutorial on PAM4 Signaling for 56G Serial Link Applications", DesignCon2017.

[4] Electronics Desktop: PAM4 Signaling for Circuit Analyses, ANSYS Application Brief

[5] Comparison of PAM-4 and NRZ Signaling, IBM

[6] "The Case of the Closing Eyes:Is PAM the Answer?Is NRZ dead?", DesignCon2018.

[7] Xiangyang Jiao, "EMI Analysis and Mitigation Techniques for 56G PAM4 Signaling", DesignCon2018.

[8] How to Make PAM4, PAM8, and PAM16 Signals