Verification of 56 Gbps PAM-4 Simulation and ...

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Verification of 56 Gbps PAM‐4  Simulation and Measurement  Results Lieven Decrock TE Connectivity

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Participants • TE Connectivity :  Lieven Decrock, Rutger Smink, Chad Morgan, Masayuki  Aizawa, Han van het Bolscher

• Keysight Heidi Barnes, Rob Sleigh, Mike Resso, Fangyi Rao, Russ  Kramer

• National Technical University of Athens  Dimitris Apostolopoulos, Stefanos Dris, Nikos Argyris,  Christos Spatharakis and Ioannis Lazarou

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Introduction • • • •

What is multilevel signaling? How to compare simulation and measurement? Hardware Setup and Measured data Software implementations – ADS (Keysight) – FlexDCA (Keysight)

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MultiLevel Signaling • For a channel of bandwidth B Hz, the Nyquist rate is  symbols per second • For binary signaling, each symbol carries one bit of  information, so the information rate is 2B bits per  second • With a fixed channel bandwidth, the increase in  information can be reached by increasing the  amount of information encoded in a symbol

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PAM‐4 • M=number of distinct signal levels • Each symbol carries log2 M bits of information – e.g. M=2  1; M=4  2; M=8  3 – The overall information rate rises to 2B log2 M

• PAM‐4 = 4 amplitude levels – 2 bits of information in every symbol • 2x throughput for the same Baud rate • 28 Gbaud PAM‐4 = 56Gb/s

– Lower SNR, more susceptible to noise

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HOW TO COMPARE SIMULATION  AND MEASUREMENT?  WMJ‐4

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SNR ‐ Definition • SNR = Signal to Noise Ratio • SNR is defined as the power ratio between a signal  and the noise (unwanted signal)

• •

10

•

10

,

20

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,

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SNR Margin • SNR margin = useful metric to evaluate a backplane  performance • • • SNRth depends on a given BER, e.g. 10‐12

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SER Assume all symbols are equi‐probable, Symbol Error  Rate (SER) for an M‐PAM system is given by 1 ,

where Pij=probability of receiving symbol j when  symbol i was transmitted

J. Proakis and M. Salehi, “Digital Communications, 5th Ed.”, McGraw‐Hill 2008

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Probability  Assuming Guassian noise, the probability is given by 1 2

1 2

,

2

,

2

 Ai = amplitude of the detected voltage level of symbol i ∞;  , ∞)  Ath,j = decision threshold ( ,  = root mean square value of noise for symbol i Histogram with Gaussian distributions  for a PAM‐4 scheme (M = 4)

Szczerba et al., “4‐PAM for High‐Speed Short‐Range Optical Communications”, Opt. Commun. Netw. Vol4, No,11 Nov 2012

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SER Theoretical M

1 1

Assumptions : • all symbols are equally spaced • decision thresholds Ath,j are  equidistant from adjacent  symbols • ; assuming  distance is equal for all M • : standard deviation of  additive white noise WMJ‐4

2

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SNR theoretical Given  dB

, the formula for SER can be rearranged 20

2

1

1

Assumption : Employing Gray coding, then

SNRth can be calculated based on given BER SNRth for different BER thresholds (dB) BERth=10‐6

23.0

BERth=10‐9

25.0 WMJ‐4





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SNR@PAM‐4 Measured/Simulated  PAM‐4 signal

Matlab processed eye -0.8

Gaussian Distribution

-0.6

‐0,718 0,030

-0.4 -0.2

‐0,239 0,028

0 0.2

‐0,238 0,027

0.4 0.6 0.8

SNRtheoretical = 23.0dB@BER 10‐6 SNRreceiver = 25.3dB

SNRmargin (dB) = 2.3dB WMJ‐4

‐0,716 0,031

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SNR Example • • • •

SNRmargin = 2.3dB : What does this mean? SNRtheoretical is fixed e.g. 23dB (BER=10‐6;M=4) There is 2.3dB margin above BER of 10‐6 e.g. A BER of 10‐9 might be possible

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PAM‐4 MEASUREMENT

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Measurement Set‐Up Set‐up Generator

Post‐processing

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Input Signal Quality 25G

32G

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40G

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SNR Margins of Input Signal

No EQ

MEASUREMENT

ADS

FlexDCA

BER=10‐6

BER=10‐9

BER=10‐6

BER=10‐9

BER=10‐6

BER=10‐9

25

5.6

3.6

tbd

tbd

tbd

tbd

28

5

2.9

tbd

tbd

tbd

tbd

32

3.8

1.8

tbd

tbd

tbd

tbd

35

1.4

‐0.6

tbd

tbd

tbd

tbd

40

‐1.2

‐3.2

tbd

tbd

tbd

tbd

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Measurement Setup

Keysight – Infiniium – DSO‐X  93364Q – Digital Storage  Oscilloscope – 33GHz – 80GSa/s

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Strada Whisper Backplane System

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SNR with link

FFE

MEASUREMENT

ADS

FLEXDCA

1.5inch

1.5inch

1.5inch

Gbaud Bbps BER=10‐6 BER=10‐9 BER=10‐6 BER=10‐9 BER=10‐6 BER=10‐9 25

50

‐2.3

‐4.4

tbd

tbd

tbd

tbd

28

56

‐2.3

‐4.4

tbd

tbd

tbd

tbd

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Next Steps? 1. Recreate the generator signal by software 2. Compare software generated signal with  hardware generated signal 3. Apply Link connection in software

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KEYSIGHT ADS

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PAM‐4 Signal Generator Sub‐Circuit • PAM‐4 signal generator sub‐circuit has been  built in ADS • Two uncorrelated PAM‐2 sources used as input,  emulating a typical PAM‐4 measurement setup PAM‐2 Input 1 PAM‐4 Output PAM‐2 Input 2

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56Gbps@200mm stripline • PAM‐4 Signal at 56 Gbps on 200 mm Stripline

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56Gbps@500mm stripline • PAM‐4 Signal at 56 Gbps 500 mm Stripline with CTLE & FFE

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ADS Generator Circuit • Circuit of PAM‐4 Signal Generator with 50mm  Stripline  adding losses and jitter

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ADS Generator Output

No EQ

MEASUREMENT

ADS

FlexDCA

BER=10‐6

BER=10‐9

BER=10‐6

BER=10‐9

BER=10‐6

BER=10‐9

25

5.6

3.6

5.5

3.5

tbd

tbd

28

5

2.9

4.4

2.4

tbd

tbd

32

3.8

1.8

2.4

0.4

tbd

tbd

35

1.4

‐0.6

1.4

‐0.7

tbd

tbd

40

‐1.2

‐3.2

0.4

‐1.7

tbd

tbd

RiseTime : 16ps (20‐80)

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ADS with 11.5 inch link

Tuned generator circuit Model 11.5 inch link

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ADS Link Output • PAM‐4 generator with 11.5inch backplane link

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ADS Link Output

FFE

Measurement

ADS

FlexDCA

BER=10‐6

BER=10‐9

BER=10‐6

BER=10‐9

BER=10‐6

BER=10‐9

25

3.2

1.1

1.6

‐0.4

tbd

tbd

28

1.6

‐0.5

‐2.0

‐4.1

tbd

tbd

RiseTime : 16ps (20‐80)

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PAM‐4@ADS : Conclusions • ADS circuit has been tuned by using the 25Gpbs/BER  10‐6 setting • Generator compatibility varies with datarates – Good correlation at 25Gbps and 35Gbps – Further optimization needed at different datarates due to  bandlimited components in the link

• Link simulation does show up to 3.6dB (@28Gbps)  with measurement data

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KEYSIGHT FLEX DCA

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What is FlexDCA? N1010A FlexDCA Remote Access Software provides  oscilloscope, eye/mask and jitter mode measurement  capabilities on your PC.  The powerful new software application provides offline  and connected measurement capability for both the  86100C DCA‐J and 86100D DCA‐X oscilloscopes (Source : www.keysight.com)

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Signal Settings

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PAM‐4 Signal Generation PAM4 Signal 1A and  PAM4 Signal 1B  differentially  combined into D1A

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FlexDCA Generated Output

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FlexDCA Generator Output Measurement

ADS

FlexDCA

PAM‐4 No EQ

BER=10‐6

BER=10‐9

BER=10‐6

BER=10‐9

BER=10‐6

BER=10‐9

25

5.6

3.6

5.5

3.5

5.6

3.6

28

5

2.9

4.4

2.4

5.2

3.1

32

3.8

1.8

2.4

0.4

3.7

1.3

35

1.4

‐0.6

1.4

‐0.7

1.4

‐0.6

40

‐1.2

‐3.2

0.4

‐1.7

‐1.3

‐3.3

RiseTime : 16ps (20‐80)

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FlexDCA Link Output

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FlexDCA Link Output

FFE

Measurement

ADS

FlexDCA

BER=10‐6

BER=10‐9

BER=10‐6

BER=10‐9

BER=10‐6

BER=10‐9

25

3.2

1.1

1.6

‐0.4

‐4.4

‐6.5

28

1.6

‐0.5

‐2.0

‐4.1

‐8.0

‐10.0

RiseTime : 16ps (20‐80)

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PAM‐4@FlexDCA : Conclusions • FlexDCA is an easy to use tool to generate and  analyse data signals • FlexDCA does allow postprocessing on NRZ  and PAM‐4 signals • Correlation study needs further focus

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Future Plans • System Vue integration with FlexDCA, to use  full functionality of commercially available  tools • Using IBIS‐AMI models in ADS channel  simulator to use real‐life component  performance parameters • Keysight PAM4 generation equipment • Implementation of Crosstalk, DFE, multilevel  DFE, verying jitter, etc. WMJ‐4

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System Vue SystemVue is a focused electronic  design automation (EDA)  environment for electronic system‐ level (ESL) design. It enables system  architects and algorithm developers  to innovate the physical layer (PHY)  of wireless and aerospace/defense  communications systems and  provides unique value to RF, DSP, and  FPGA/ASIC implementers. As a  dedicated platform for ESL design  and signal processing realization,  SystemVue replaces general‐purpose  digital, analog, and math  environments. SystemVue "speaks  RF", cuts PHY development and  verification time in half, and connects  to your mainstream EDA flow. WMJ‐4

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