NRZ信號的波形、眼圖與PAM4信號的對比及PAM4技術逐漸走向應用

PAM（Pulse Amplitude Modulation：脈沖幅度調制）信號是下一代數據中心做高速信號互連的一種熱門信號傳輸技術，可以廣泛應用于200G/400G接口的電信號或光信號傳輸。

傳統的數字信號最多采用的是NRZ（Non-Return-to-Zero）信號，即采用兩種信號電平來表示數字邏輯信號的1、0信息，每個符號周期可傳輸1bit的邏輯信息；而PAM信號則可以采用更多信號電平，從而每個符號周期可傳輸更多bit信息。比如以PAM4信號來說，采用4個不同的信號電平來進行信號傳輸，每個符號周期可以表示2個bit的邏輯信息（0、1、2、3）。因此，要實現同樣的信號傳輸能力，PAM4信號的符號速率只需要達到NRZ信號的一半即可，因此傳輸通道對其造成的損耗大大減小。隨著未來技術的發展，也不排除采用更多電平的PAM8甚至PAM16信號進行信息傳輸的可能性。下圖是典型的NRZ信號的波形、眼圖與PAM4信號的對比。

?

其實PAM4信號的概念并不新鮮，比如在最普遍使用的100MBase-T以太網中，就使用3種電平進行信號傳輸；而在無線通信領域中普遍使用的16QAM調制、32QAM調制、64QAM調制等，也都是采用多電平的基帶信號對載波信號進行調制。這種用多電平進行數字信號傳輸的概念重新提出是在IEEE協會制定100G以太網標準時。在前一代40G以太網標準中，普遍使用4組10Gbps的鏈路進行信號傳輸，信號采用NRZ形式；而在制定100G以太網標準時，需要用4組25Gbps的鏈路進行信號傳輸（也有標準采用10組10Gbps的信號傳輸方式），由于不確定25Gbps的NRZ信號長距離傳輸的可行性，所以也同時定義了PAM4的信號標準做為備選。比如，在IEEE協會于2014年頒布的針對100G背板的802.3bj標準里，就同時定義了兩種信號傳輸方式：4組25.78G波特率的NRZ信號，或者4組13.6G波特率的PAM4信號。只不過后來隨著芯片技術以及PCB板材和連接器技術的發展，25G波特率的NRZ技術很快實現商用應用；而PAM4由于技術成熟度和成本的原因，并沒有在100G以太網的技術中被真正應用。

在新一代的200G/400G接口標準的制定過程中，普遍的訴求是每對差分線上的數據速率要提高到50Gbps以上。如果仍然采用NRZ技術，由于每個符號周期只有不到20ps，對于收發芯片的時間裕量以及傳輸鏈路的損耗要求更加苛刻，所以PAM-4技術的采用幾乎成為了必然趨勢，特別是在電信號傳輸距離超過20cm以上的場合。比如在IEEE協會正在制定的802.3bs規范里，以及OIF組織的CEI4.0規范里，都對PAM4信號的特性及參數測試進行了深入的研究和定義。同時，64G Fiber Channel以及InfiniBand 600G HDR的標準中，也都會借鑒IEEE協會及OIF組織的PAM4標準。

在對PAM-4信號進行描述時，需要別注意波特率（Baud Rate）和bit速率（Bit Rate）的區別。對于傳統的NRZ信號來說，由于1個符號傳輸1bit數據，bit速率和波特率是一樣的，比如在100G以太網里使用4路25.78125GBaud的信號進行傳輸，每路信號上的bit速率也是25.78125Gbps，4路信號實現100Gbps的信號傳輸；而對于PAM-4信號來說，由于1個符號傳輸2bit數據，能傳輸的bit速率是波特率的2倍，比如在200G以太網里使用4路26.5625GBaud的信號進行傳輸，每路信號上的bit速率是53.125Gbps，4路信號就可以實現200Gbps的信號傳輸。對于400G以太網來說，用8路26.5625GBaud的信號就可以實現了。下圖是IEEE 802.3bs里定義的一些200G/400G以太網的接口標準。

?

目前，一些領先的串行芯片及FPGA廠商都陸續發布了能夠支持PAM4信號傳輸的芯片，PAM4技術也逐漸從理論研究走向實際應用。下圖是用PAM4信號進行高速互聯的幾種典型應用場合。