NRZ信号的波形、眼图与PAM4信号的对比及PAM4技术逐渐走向应用

PAM（Pulse Amplitude Modulation：脉冲幅度调制）信号是下一代数据中心做高速信号互连的一种热门信号传输技术，可以广泛应用于200G/400G接口的电信号或光信号传输。

传统的数字信号最多采用的是NRZ（Non-Return-to-Zero）信号，即采用两种信号电平来表示数字逻辑信号的1、0信息，每个符号周期可传输1bit的逻辑信息；而PAM信号则可以采用更多信号电平，从而每个符号周期可传输更多bit信息。比如以PAM4信号来说，采用4个不同的信号电平来进行信号传输，每个符号周期可以表示2个bit的逻辑信息（0、1、2、3）。因此，要实现同样的信号传输能力，PAM4信号的符号速率只需要达到NRZ信号的一半即可，因此传输通道对其造成的损耗大大减小。随着未来技术的发展，也不排除采用更多电平的PAM8甚至PAM16信号进行信息传输的可能性。下图是典型的NRZ信号的波形、眼图与PAM4信号的对比。

 

其实PAM4信号的概念并不新鲜，比如在最普遍使用的100MBase-T以太网中，就使用3种电平进行信号传输；而在无线通信领域中普遍使用的16QAM调制、32QAM调制、64QAM调制等，也都是采用多电平的基带信号对载波信号进行调制。这种用多电平进行数字信号传输的概念重新提出是在IEEE协会制定100G以太网标准时。在前一代40G以太网标准中，普遍使用4组10Gbps的链路进行信号传输，信号采用NRZ形式；而在制定100G以太网标准时，需要用4组25Gbps的链路进行信号传输（也有标准采用10组10Gbps的信号传输方式），由于不确定25Gbps的NRZ信号长距离传输的可行性，所以也同时定义了PAM4的信号标准做为备选。比如，在IEEE协会于2014年颁布的针对100G背板的802.3bj标准里，就同时定义了两种信号传输方式：4组25.78G波特率的NRZ信号，或者4组13.6G波特率的PAM4信号。只不过后来随着芯片技术以及PCB板材和连接器技术的发展，25G波特率的NRZ技术很快实现商用应用；而PAM4由于技术成熟度和成本的原因，并没有在100G以太网的技术中被真正应用。

在新一代的200G/400G接口标准的制定过程中，普遍的诉求是每对差分线上的数据速率要提高到50Gbps以上。如果仍然采用NRZ技术，由于每个符号周期只有不到20ps，对于收发芯片的时间裕量以及传输链路的损耗要求更加苛刻，所以PAM-4技术的采用几乎成为了必然趋势，特别是在电信号传输距离超过20cm以上的场合。比如在IEEE协会正在制定的802.3bs规范里，以及OIF组织的CEI4.0规范里，都对PAM4信号的特性及参数测试进行了深入的研究和定义。同时，64G Fiber Channel以及InfiniBand 600G HDR的标准中，也都会借鉴IEEE协会及OIF组织的PAM4标准。

在对PAM-4信号进行描述时，需要别注意波特率（Baud Rate）和bit速率（Bit Rate）的区别。对于传统的NRZ信号来说，由于1个符号传输1bit数据，bit速率和波特率是一样的，比如在100G以太网里使用4路25.78125GBaud的信号进行传输，每路信号上的bit速率也是25.78125Gbps，4路信号实现100Gbps的信号传输；而对于PAM-4信号来说，由于1个符号传输2bit数据，能传输的bit速率是波特率的2倍，比如在200G以太网里使用4路26.5625GBaud的信号进行传输，每路信号上的bit速率是53.125Gbps，4路信号就可以实现200Gbps的信号传输。对于400G以太网来说，用8路26.5625GBaud的信号就可以实现了。下图是IEEE 802.3bs里定义的一些200G/400G以太网的接口标准。

 

目前，一些领先的串行芯片及FPGA厂商都陆续发布了能够支持PAM4信号传输的芯片，PAM4技术也逐渐从理论研究走向实际应用。下图是用PAM4信号进行高速互联的几种典型应用场合。