如何使用任意波形发生器生成PRBS信号和PAM-4信号？

时间： 2024-05-19 来源：鼎阳科技微信公众号

代理服务

技术支持

采购服务

PRBS的全称是Pseudo-Random Binary Sequence，也就是伪随机二进制序列。这是一种通过确定性算法生成的序列，但是很难预测，所以它的统计结果类似于真正的随机序列。

我们形容不同的PRBS码型时，通常用PRBSk或PRBS-k符号（例如PRBS5或PRBS-5）来指示不同序列的大小。在序列中最大有N=2^k-1个比特数，因此在PRBS-k中，k表达了序列中唯一的数据字节的长度。如果将N位数据分割成长度为k的每一种可能的字段，那么除了全是0的字之外，我们可以找到k位二进制字的每一种可能的0和1的组合。

我们以PRBS-4为例子，可以看出除了0000的状态外，剩下的15个状态都输出过：

已知PRBS-4的生成多项式为1+X³+X⁴

这里1代表输入，计算移位寄存器的第3位和第4位的异或计算结果作为下一个状态的输入，将第四位作为输出，假设我们令多项式的状态从1111开始，则生成的随机码序列为：

得到结果111100010011010。

以此类推，最后的几个四比特字节绕到序列的另一端来补全，这样就除去0000状态外，该序列在剩下的15个状态中循环切换的序列。其中不同的k对应的生成多项式也是不同的，比如：

每一个多项式都规定了反馈的位数，如果选用其他的情况会怎样？我们还以PRBS-4为例，如果选择第二位和第四位的异或作为反馈，得到的结果为111001111，可以看到，只经过了6个状态就已经回到了初始状态，随机性要更差。

当PRBS-4信号在500M比特率的速度下运行时，使用频谱仪扫描的结果如下图所示：

图1-1 使用频谱仪观察PRBS信号

从图中可以看到，比特率500MHz的PRBS信号能量集中在500MHz以内，由多条线状谱构成。在频率谱的主叶中，含有15根谱线（包括DC的0Hz）。每根谱线之间的间距为33.333MHz（500MHz÷15）。

PRBS序列的频谱分量取决于比特率和序列长度，通常，PRBS-k序列的长度为2^k-1位。在给定的比特率，频谱分量会以等间隔出现，间隔大小为比特率除以序列长度。

为了观察除了主叶之外的频谱成分对信号带来的影响，我们使用示波器观察信号，如下图所示。在不同的带宽限制下观察信号。可以观察到，为了获得一个信号完整性较好的波形，至少要包含两组谐波分量，也就是信号路径的模拟带宽最好大于比特率的三倍。这对于测试高速数字接口信号非常重要。

图1-2 示波器带宽为1.5GHz的测试结果

图1-3 示波器带宽为1GHz测试结果

图1-4 示波器带宽为500MHz的测试结果

PRBS码型的应用

在真实的使用场景中，数据流是完全随机的，PRBS码型与实际场景的数据流很相似，因此我们常用PRBS来模拟真实的数据流。

在信号完整性测试中，为了验证通道的性能，我们通常需要发送PRBS码型来观察输出的信号质量，特别是对于眼图测试、误码率和抖动容限测试。

PRBS-7是目前10Gbps以下的串行总线中最常用的测试码型。因为PRBS-7的码型与8b/10b NRZ编码的数据流很相似，因此，在PCIe、SATA、100BASE-TX、SAS等采用8b/10b编码的串行总线中，PRBS-7是最常用的测试码型。

同时，PRBS-7码流中最长的连续的1有7个，最长的连续的0有6个，但是8b/10b编码中连续的1和0最多都是5个。因此，使用PRBS-7作为信源，在同一信道上传输到接收机上的眼图和抖动要比8b/10b编码的数据流结果要差。这样，PRBS7作为8b/10b的测试码型，还可以留出一定的设计裕量。

如何用两路NRZ生成PAM-4码型

PAM4是一种高效利用带宽传输串行数据的方法，所需的通道带宽仅为NRZ所需带宽的一半。

根据香农定律：C=2*B*log2(M)，其中C为通道容量或可实现的最大数据速率，B为通道带宽，M为信号电平数量，可以看出随着信号电平数量增加，可以使通道响应获得很大改善。

目前随着高速光通信和数据网络的发展，对于高速串行系统通道的速率要求越来越来高，很多设计采用了PAM-4编码。对于NRZ信号而言，只存在一个上升沿和一个下降沿，但是对于PAM-4信号，跳变发生在四个电平之间共12种跳变，多重信号幅度之间的跳变会导致眼高和眼宽的恶化。所以一个高质量的PAM4信号源在测试中很重要。

作为一台任意波形发生器，PAM-4当然也在“任意”波形包含的范围内，AWG有一个高速DAC通用的信号源，可以非常灵活的产生各种信号，例如通信用的QAM信号，或者PAM4、PAM8信号。

但是从性能上看，使用ARB功能产生PAM信号并不是实际高速串行电路的实现方式，所以在很多信号特性上需要额外的带宽要求和滤波要求，从而达到高速串行通信的信号要求。并且AWG是通过逐点输出实现的，需要通过上位机编辑内部数据序列存储空间，如果要和实际的PAM-4编码相对应，对于PAM4的信号产生所需要的设置非常复杂。

实际上，我们可以通过两个PRBS发生器来合成1路PAM4码型发生器。该方法的原理是依靠PRBS码型功能输出两路速率完全一致的NRZ信号，其中一路的幅度为满幅度，另一路为半幅度。通过机内通道合并，即可将两路双电平的NRZ信号合并为一路四电平的PAM4信号。

在Utility中可以设置两路相位锁定，在此模式下每次改变频率两个通道的DDS都会复位，保证了两路的相位在输出时始终相同。机内通道合并省去了原本两路NRZ码型发生器合成PAM4信号的过程中经过不同器件导致的信号衰减性能变差，也避免了每次两路输出的初始相位不同。