PAM4信號(hào)技術(shù)科普

在現(xiàn)代高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，PAM4和NRZ是兩種關(guān)鍵的調(diào)制技術(shù)， 傳統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)最多采用的是NRZ（Non-Return-to-Zero）信號(hào)，即采用高、低兩種信號(hào)電平來表示要傳輸?shù)臄?shù)字邏輯信號(hào)的1、0信息，每個(gè)信號(hào)符號(hào)周期可以傳輸1bit的邏輯信息；而PAM信號(hào)則可以采用更多的信號(hào)電平，從而每個(gè)信號(hào)符號(hào)周期可以傳輸更多bit的邏輯信息。比如以PAM4信號(hào)來說， PAM4（4-Level Pulse Amplitude Modulation）即四電平脈沖幅度調(diào)制，PAM4信號(hào)技術(shù)是一種采用4個(gè)不同的信號(hào)電平來進(jìn)行信號(hào)傳輸?shù)恼{(diào)制技術(shù)。作為下一代高速信號(hào)互連的熱門信號(hào)傳輸技術(shù)，PAM4信號(hào)比傳統(tǒng)NRZ（Non-Return-to-Zero）信號(hào)多了兩個(gè)電平：NRZ信號(hào)采用高、低兩種信號(hào)電平表示數(shù)字邏輯信號(hào)的1、0，每個(gè)周期可以傳輸1bit的邏輯信息；PAM4信號(hào)則采用4個(gè)不同的信號(hào)電平進(jìn)行信號(hào)傳輸，即00、01、10、11，每個(gè)周期可以傳輸2bit的邏輯信息。因此，在相同符號(hào)周期內(nèi)，PAM4信號(hào)的比特速率是NRZ信號(hào)的兩倍。

• NRZ：二進(jìn)制調(diào)制，每個(gè)符號(hào)周期傳輸1比特（0或1），通過兩個(gè)電平（高/低）表示數(shù)據(jù)。

• PAM4：四電平調(diào)制，每個(gè)符號(hào)周期傳輸2比特（00/01/10/11），通過四個(gè)不同幅度電平編碼數(shù)據(jù)，帶寬效率翻倍

• PAM4信號(hào)與傳統(tǒng)NRZ訊號(hào)對(duì)比

• NRZ：

• • 優(yōu)勢(shì)：信號(hào)幅度大（僅2電平），抗噪聲和信道損耗能力較強(qiáng)，適合中短距離（如板內(nèi)或芯片間互聯(lián)）。

  • 劣勢(shì)：長距離下需更高波特率以滿足容量需求，導(dǎo)致信道損耗（如下圖中的插入損耗、串?dāng)_）顯著增加，限制傳輸距離。

• PAM4：

• • 優(yōu)勢(shì)：相同波特率下數(shù)據(jù)速率是NRZ的2倍，適合長距離高帶寬需求（如光模塊、數(shù)據(jù)中心互聯(lián)）。

  • 劣勢(shì)：信號(hào)幅度更密集（4電平），對(duì)噪聲和信道非線性更敏感，需復(fù)雜的均衡（如FFE/DFE）和前向糾錯(cuò)（FEC）補(bǔ)償。

PAM4在長距離傳統(tǒng)信道中相比NRZ具有更好的信噪比（SNR）優(yōu)勢(shì)

• 目標(biāo)誤碼率（BER）適中（1e-4至1e-6），通過前向糾錯(cuò)（FEC）實(shí)現(xiàn)極低誤碼率（<1e-12）。

PAM4憑借更高的帶寬效率，在長距離傳輸中（尤其是傳統(tǒng)信道條件下）能提供優(yōu)于NRZ的SNR表現(xiàn)。盡管其原始誤碼率（1e-4~1e-6）高于NRZ，但結(jié)合FEC技術(shù)后，可穩(wěn)定達(dá)到超低誤碼率（<1e-12），滿足高速互聯(lián)的可靠性需求。

PAM4的信號(hào)幅度僅為NRZ的1/3，殘留碼間干擾（ISI）和串?dāng)_影響增至3倍

• 需配置大量接收端均衡抽頭（如DFE或FFE），以最大限度抑制殘留ISI，確保信號(hào)完整性。

信號(hào)幅度降低至1/3，導(dǎo)致其對(duì)信道損傷（如ISI和串?dāng)_）的敏感度顯著增加（約3倍）。為補(bǔ)償這一劣勢(shì)，接收端需依賴高階均衡技術(shù)（如DFE/FFE），通過多抽頭設(shè)計(jì)優(yōu)化信號(hào)恢復(fù)能力。

• PAM4信號(hào)技術(shù)科普

在計(jì)算數(shù)據(jù)帶寬時(shí)，GT/s表示什么？

GT/s 其中的T是transfers，即傳輸?shù)暮x。

這會(huì)有兩種含義，而且經(jīng)常會(huì)搞混：第一種是transfers per second，或者gigatransfers per second，第二種是datatransfers per second，或者gigadatatransfers per second。

前者表示在單位時(shí)間即每秒內(nèi)，傳輸數(shù)據(jù)的操作發(fā)生的次數(shù)，也被稱為采樣率，即每秒捕獲的數(shù)據(jù)采樣數(shù)，采樣通常發(fā)生在時(shí)鐘邊沿。

可以看到，這個(gè)定義中不包括傳輸?shù)谋忍芈省?/p>

而后者則是指單位時(shí)間即每秒內(nèi)，傳輸了多少數(shù)據(jù)，即data transfers rate。這個(gè)數(shù)值一般是指物理層傳輸?shù)膔aw data。與有效數(shù)據(jù)帶寬之間，還需要考慮編碼方式和傳輸效率。

當(dāng)每次傳輸?shù)姆?hào)傳輸一位數(shù)據(jù)時(shí)，兩者是相等的。

反之，則兩者需要區(qū)別對(duì)待：

在PCIE Gen6的信號(hào)傳輸中，采用了PAM4的編碼方式，即每個(gè)符號(hào)傳輸兩位。因此后者就是前者的兩倍。這也引出了下一個(gè)問題：

在計(jì)算數(shù)據(jù)帶寬時(shí)，什么叫做波特率，什么叫做奈奎斯特頻率，什么叫做NRZ和PAM4編碼？

波特率：每秒信號(hào)變化的次數(shù)，一個(gè)信號(hào)變化，或稱為符號(hào)即symbol，一個(gè)符號(hào)可以攜帶一個(gè)或多個(gè)比特的信息。單位是波特，bd

奈奎斯特頻率：表示信道帶寬，按照奈奎斯特定理，波特率是信道帶寬的兩倍。

PCIE Gen5 到Gen6 從NRZ變?yōu)镻AM4，傳輸信道的loss保持一致，就是因?yàn)樗鼈兊牟ㄌ芈识际?2Gb/s，且奈奎斯特頻率均為16GHz。

那么為什么 PCIE Gen6的數(shù)據(jù)傳輸速率可以翻倍？

首先來看一下兩種編碼方式的不同。

• PAM4：Pulse Amplitude Modulation 4-level

• NRZ：Non-Return-to-Zero

PAM4允許每個(gè)符號(hào)在單位周期內(nèi)傳輸?shù)男畔⒘渴荖RZ的兩倍，因此在同樣的比特率下，PAM4的波特率只有NRZ信號(hào)的一半。所以PAM4在信號(hào)傳輸通道中的信號(hào)損失會(huì)大大降低。

反過來說，如下圖，PCIE 6.0在同樣的奈奎斯特頻率下，傳輸速率翻倍。

PCIE 5.0

PCIE 6.0

Speed

32Gbps

64Gbps

Nyquist Freq

16GHz

16GHz

信號(hào)編碼

NRZ

PAM4

但是PAM4的眼高是NRZ的1/3，使得PAM4信號(hào)對(duì)于噪聲更加敏感，誤碼率更高，需要引入前向糾錯(cuò)FEC機(jī)制來保障鏈路的BER。

• PAM4信號(hào)仿真及優(yōu)勢(shì)

在PAM-4信號(hào)傳輸時(shí)，諸如抖動(dòng)、噪聲、信道丟失和符號(hào)間干擾(ISI)等會(huì)對(duì)正常傳輸?shù)膬?nèi)容產(chǎn)生影響。此外，PAM-4的接收器體系結(jié)構(gòu)為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員引入了很多新的概念，如：具有電壓閾值的Slicer輸出（用于確定已接收到的幅度電平）；單個(gè)Slicer skew，multi-tap反饋均衡，時(shí)鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)等對(duì)真實(shí)PAM4設(shè)計(jì)的影響都需要在仿真設(shè)計(jì)之時(shí)考慮進(jìn)去。

隨著信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)時(shí)代對(duì)信息的傳遞提出了更高的要求。PAM4信號(hào)技術(shù)以其較高的傳輸效率和較低的建設(shè)成本脫穎而出，成為了下一代高速信號(hào)互連的熱門信號(hào)傳輸技術(shù)。

傳輸效率高：首先，由于PAM4信號(hào)比傳統(tǒng)NRZ信號(hào)多了兩個(gè)電平信號(hào)進(jìn)行信號(hào)傳輸，在相同符號(hào)周期內(nèi)，PAM4信號(hào)的比特速率是NRZ信號(hào)的兩倍。因此，由于PAM4具備更高的傳輸效率，在相同碼率下，PAM4的波特率只有NRZ信號(hào)的一半，大大降低了信號(hào)在傳輸信道中的損耗。因此，在提高信號(hào)傳輸效率和降低信號(hào)傳輸損耗方面，PAM4具備更強(qiáng)的信號(hào)傳輸優(yōu)勢(shì)。

建設(shè)成本低：由于PAM4信號(hào)傳輸具有更高的比特速率，在5G承載網(wǎng)絡(luò)中，PAM4能夠在滿足更高傳送效率的同時(shí)使用更少且目前已成熟應(yīng)用的光器件，也不必增加光纖設(shè)備，大大降低了建設(shè)和研發(fā)成本。

• 為什么需要PAM4信號(hào)技術(shù)

根據(jù)市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)TeleGeography發(fā)布的最新報(bào)告顯示，全球帶寬市場(chǎng)仍處于大規(guī)模需求增長階段，這對(duì)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的信號(hào)傳輸能力提出了更高的要求，而傳統(tǒng)的NRZ信號(hào)在龐大的帶寬需求下遭遇了傳輸效率瓶頸，PAM4信號(hào)技術(shù)作為另一種較為成熟的信號(hào)傳輸技術(shù)，恰巧在信號(hào)傳輸效率方面彌補(bǔ)了NRZ信號(hào)的缺點(diǎn)，并在滿足日益增長的帶寬需求的同時(shí)，保持著較低的建設(shè)成本，成為了目前性價(jià)比最高的替換方案。

性價(jià)比高：對(duì)于光模塊來說，提高傳輸速率的方式體現(xiàn)在增加信號(hào)傳輸通道數(shù)量和提高單通道速率兩個(gè)方面，由于提高通道數(shù)量涉及到過高的建設(shè)成本，提高單通道速率成為了更優(yōu)解。PAM4以其更多的信號(hào)電平實(shí)現(xiàn)了單位時(shí)間內(nèi)單條通道更高的傳輸效率，在保證目前通道數(shù)量和現(xiàn)有光器件不變的情況下，通過升級(jí)光模塊內(nèi)部電芯片，可以將網(wǎng)絡(luò)接口速率提升到原來的二倍，而現(xiàn)有的配套網(wǎng)絡(luò)控制芯片（如X86芯片）和高端設(shè)備的板內(nèi)板間接口（如serdes接口）已具備了適配PAM4信號(hào)技術(shù)的處理能力。

技術(shù)成熟：實(shí)際上，早在IEEE協(xié)會(huì)于2014年頒布的針對(duì)100G背板的802.3bj標(biāo)準(zhǔn)里，就同時(shí)定義了兩種信號(hào)傳輸方式：4組25.78G波特率的NRZ信號(hào)，或者4組13.6G波特率的PAM4信號(hào)。只不過后來隨著芯片技術(shù)以及PCB板材和連接器技術(shù)的發(fā)展，25G波特率的NRZ技術(shù)很快實(shí)現(xiàn)商用應(yīng)用；而PAM4由于技術(shù)成熟度和成本的原因，并沒有在100G以太網(wǎng)的技術(shù)中被真正應(yīng)用。在新一代的200G/400G接口標(biāo)準(zhǔn)的制定過程中，普遍的訴求是每對(duì)差分線上的數(shù)據(jù)速率要提高到50Gbit/s以上。如果仍然采用NRZ技術(shù)，由于每個(gè)符號(hào)周期只有不到20ps，對(duì)于收發(fā)芯片以及傳輸鏈路的時(shí)間裕量要求更加苛刻，所以PAM4技術(shù)的采用幾乎成為了必然趨勢(shì) 。

以上是Keysight的測(cè)試方案

• PAM4信號(hào)應(yīng)用場(chǎng)景

在數(shù)據(jù)通信技術(shù)逐漸發(fā)展成熟的過程中，400G/800G光通信、PCIe 6.0、長距離數(shù)據(jù)中心互聯(lián)（如QSFP-DD/OSFP模塊）都是目前PAM4信號(hào)技術(shù)應(yīng)用的主要場(chǎng)景，現(xiàn)已成熟應(yīng)用于各類路由器和交換機(jī)產(chǎn)品中，如華為NetEngine8000 X系列、F系列、M系列、ATN系列路由器和CloudEngine 16800系列交換機(jī)等。以下圍繞具體的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，介紹了PAM4信號(hào)技術(shù)在各場(chǎng)景中的應(yīng)用。

面向5G移動(dòng)承載網(wǎng)場(chǎng)景

5G網(wǎng)絡(luò)下對(duì)標(biāo)滿足的三大愿景：eMBB，uRLLC，mMTC都對(duì)承載網(wǎng)的帶寬提出了更高的要求。5G頻譜效率相比4G提升3～5倍，5G的頻譜寬度從100MHz起步，相比4G初期提升5倍，Sub6G的帶寬相比4G提升15倍～25倍。5G高頻頻譜可達(dá)800MHz以上，容量進(jìn)一步提升。按照Next Generation Mobile Networks的帶寬評(píng)估方法，5G承載的帶寬在Sub6G部署階段，承載網(wǎng)帶寬演進(jìn)到50GE/200GE，如圖1 承載網(wǎng)架構(gòu)圖所示。到高頻階段，端到端帶寬演進(jìn)到100GE/200GE/400GE。PAM4以其高效的信號(hào)傳輸優(yōu)勢(shì)，為以上高帶寬網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)支持。

圖1-2 承載網(wǎng)架構(gòu)圖

城域固定網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景

作為城市規(guī)模范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，城域網(wǎng)負(fù)責(zé)城市內(nèi)不同地點(diǎn)的主機(jī)、數(shù)據(jù)庫，以及LAN的聯(lián)接，組成了集數(shù)據(jù)、語音、視頻服務(wù)于一體的高帶寬、多功能、多業(yè)務(wù)接入的多媒體通信網(wǎng)絡(luò)。其網(wǎng)絡(luò)接口的帶寬將直接影響整個(gè)城域網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)。PAM4信號(hào)傳輸技術(shù)可以幫助擴(kuò)容城域網(wǎng)包括核心層與匯聚層在內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)接口，進(jìn)一步提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的信息傳輸效率，為城域網(wǎng)內(nèi)的各局域網(wǎng)和移動(dòng)端提供了更高效便捷的網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)，也為城域網(wǎng)體系下各通信業(yè)務(wù)的發(fā)展需求提供了帶寬保障。

當(dāng)前固定網(wǎng)絡(luò)的主流接口是10GE/40GE，隨著高清、4K、8K、VR/AR的高速發(fā)展，固定網(wǎng)絡(luò)很快將升級(jí)到50GE/200GE/400GE，如圖2 城域固定網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖所示。

圖1-3 城域固定網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

數(shù)據(jù)中心DCI或DCN場(chǎng)景

數(shù)據(jù)中心DCI或DCN的工作也與交換機(jī)和路由器的運(yùn)行效率緊密相關(guān)，高性能的光模塊可以提升交換機(jī)與路由器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和傳輸能力，而在光模塊中應(yīng)用的PAM4編碼芯片可將二倍的NRZ信號(hào)轉(zhuǎn)化為PAM4信號(hào)，在壓縮信號(hào)占用空間的同時(shí)提高了交換機(jī)與路由器的信息處理量，更好地支持了網(wǎng)絡(luò)七層協(xié)議棧中第一層（物理層）、第二層（數(shù)據(jù)鏈路層）和第三層（網(wǎng)絡(luò)層）的功能網(wǎng)絡(luò)，從而進(jìn)一步賦能跨地域運(yùn)營、用戶接入、異地災(zāi)備等數(shù)據(jù)中心互聯(lián)場(chǎng)景。

數(shù)據(jù)中心高速發(fā)展，推動(dòng)服務(wù)器以及DCN、DCI業(yè)務(wù)接口的快速升級(jí)，以50G PAM4為例，從當(dāng)前的10GE/40GE快速升級(jí)到50GE/200GE/400GE，如圖3 DCN架構(gòu)演進(jìn)示意圖所示。

圖1-4 DCN架構(gòu)演進(jìn)示意圖

• PAM4信號(hào)未來應(yīng)用場(chǎng)景

PAM4通過犧牲信噪比換取帶寬效率，適合長距離高速傳輸；NRZ則以魯棒性見長，適用于速率要求不高的場(chǎng)景。實(shí)際選擇需權(quán)衡速率、距離、功耗和系統(tǒng)復(fù)雜度。隨著數(shù)據(jù)速率向Tb/s演進(jìn)，PAM4成為長距離的主流選擇，但NRZ仍在低功耗、低成本場(chǎng)景中占優(yōu)。新興技術(shù)（如相干PAM4、PAM6/PAM8）可能進(jìn)一步突破容量限制。

近期活動(dòng)

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2025江蘇鹽城東臺(tái)-800G高速銅纜供應(yīng)鏈行業(yè)技術(shù)研討會(huì)預(yù)告

高速互連技術(shù)正面臨單通道224Gbps向448Gbps演進(jìn)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。為應(yīng)對(duì)信號(hào)完整性、功率損耗及供應(yīng)鏈重組等核心挑戰(zhàn)，高速銅纜產(chǎn)業(yè)鏈亟需在材料、精密制造工藝及測(cè)試驗(yàn)證體系等維度實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破。本次9-5日與江蘇鹽城東臺(tái)舉辦的高頻高速時(shí)代之800G/1.6T產(chǎn)業(yè)鏈推進(jìn)技術(shù)研討峰會(huì)得到供應(yīng)鏈頭部企業(yè)的全力支持，我們?cè)俅握\邀行業(yè)同仁開展建設(shè)性對(duì)話，以技術(shù)創(chuàng)新為驅(qū)動(dòng)，以產(chǎn)業(yè)升級(jí)為目標(biāo)，攜手構(gòu)建高速互連領(lǐng)域的技術(shù)生態(tài)體系。就高速互聯(lián)發(fā)展進(jìn)程中的技術(shù)瓶頸突破與產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同創(chuàng)新展開更多的深度探討。再次誠邀您報(bào)名出席為行業(yè)發(fā)展貢獻(xiàn)一份力量；歡迎掃下圖二維碼報(bào)名參會(huì).

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