因为PAM4可以在大约一半的带宽内有效地将吞吐量翻倍！！！PAM4使用四个电压级别每时钟信号传输 2 比特，相比传统的无归零 (NRZ) 信号，数据速率翻倍。
PAM是什么意思？
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。脉冲幅度调制是一种在物理层使用的多电平信号方案，允许通过改变电压脉冲的幅度来每时钟周期传输多个比特。结果是数据速率增加。PAM4调制使用四个电压级别每时钟信号传输 2 比特，相比传统的无归零 (NRZ) 信号，数据速率翻倍。
高速接口的路线图IEEE以太网已经在400G和800G以太网中使用PAM4调制方案。您还可以看到其他技术如计算机串行总线（包括 PCIe 6、7 和 USB 5）将利用脉冲幅度, 内存技术也将加入PAM4调制潮流。
数据中心网络交换机的架构
這裏突出显示的是为数据中心互连子系统之间的传输而定义的技术标准。我们从左侧的交换机 ASIC开始，它按照 CEI-56G 的定义传输到黑平面。直到它到达主机 ASIC，CAUI 标准接管传输，也是在 56G PAM4 中。右侧是传输变为光学的地方，也是在 PAM4 中。大多数传输都利用了 PAM4各种速度等级。因此，很明显，PAM4调制已经广泛部署用于数据中心互连。
PAM4的优势是什么？
PAM4通过每时钟周期编码两位比特，在不需要额外带宽的情况下将数据速率翻倍。多电平信号更具带宽和光谱效率，在不增加信号传输速度 (波特率) 的情况下传输最多的数据。
PAM4 如何影响信号完整性？
PAM4 信号由于噪声阈值的降低，对噪声和失真的敏感度更高。随着电压水平的增加，它们之间的阈值 (定义比特) 变得更小。随着信号速度和信号级别的增加，保持跨噪声信道的适当信号完整性变得更加重要，需要进一步的均衡和错误校正。
哪些技术使用 PAM4调制？
PAM4 目前用于 IEEE 802.3 和 OIF-CEI 以太网电气和光学数据中心网络标准，以及 PCIe 6.0 用于更快的串行外设通信。它还用于其他技术，如无线基站和车载网络(汽车以太网)。
PAM4 的未来是什么？
目前，400GE、800GE 和 1.6T 以太网将继续使用 PAM4 信号 (112 GBd、224 Gb/s 车道速度)。然而，其他技术使用不同的 PAM-N 级别，包括使用 PAM3 实现 80 Gbps 传输的 USB4 版本 2.0。PAM6、PAM8 和 PAM16 被考虑用于未来的数据标准，而相干光学使用 QAM (正交幅度调制)，它在两个维度上调制信号。
为什么行业需要 PAM-4，而不是NRZ？
NRZ和PAM4的区别
数据中心多年以来一直使用非归零（NRZ）调制技术, 但是，NRZ无法在维持低成本的同时满足对更快数据吞吐量和更长距离通信的需求。网络标准需要进一步演进以便克服 NRZ 的局限性。
在 PAM4 之前，我们传统使用的都是 NRZ。
NRZ，就是 Non-Return-to-Zero 的缩写，字面意思叫做“不归零”，也就是不归零编码。采用 NRZ 编码的信号，就是使用高、低两种信号电平来表示传输信息的数字逻辑信号。NRZ 有单极性不归零码和双极性不归零码。单极性不归零码，“1”和“0”分别对应正电平和零电平，或负电平和零电平。
PAM4调制,单个符号周期表示的逻辑信息，从NRZ的1bit，变成了2bit，翻了一倍。
新一代标准将使用PAM4调制，这种PAM调制方式在相同带宽下能够提供两倍以上的吞吐量。根据香农-哈特利定理，在存在噪声的情况下，在特定信道带宽上，理论上无错误数据的最大数量是有限的。必须增加信道带宽或信号电平数量，以提高数据速率或信道容量。非归零 (NRZ) 和 PAM4是两种可以实现 400GE 的调制技术。随着 NRZ设计的速度增加到 28 千兆位/秒 (Gb/s) 以上，传输介质中的信道损耗是一个限制因素。建议使用 PAM4 来达到 400GE 速度。
PAM 代表脉冲幅度调制，这里显示了它与不归零信号或 NZ 之间的区别。NRZ信号有两个级别，表示逻辑“1”或“0”。PAM 有 4 个级别，因此能够表示 4 种逻辑状态。换句话说，每个符号中有 2 位信息。对于 NRZ信号，比特率等于波特率。对于 PAM4信号，比特率等于波特率乘以符号数。每个符号有 4 种逻辑状态，有 2 位信息。因此，PAM4 信号的比特率是波特率乘以 2。对于 56 Gbps 比特率，PAM4信号的波特率为 28 GBd。
如果我们检查 NRZ 和 PAM4 信号的频率内容，我们将能够确定传输所需的带宽量。让我们举个例子。对于相同的吞吐量，如果 NRZ 为 32 Gbps，则 PAM4 以 32 Gbps 或 16 GBd（每秒）的速度运行。从频谱中，我们可以看到 PAM4 的奈奎斯特频率为 32/4 = 8 GHz，而 NRZ 的奈奎斯特频率为 32/2 = 16 GHz很明显，通过使用脉冲幅度调制，它需要的带宽对于相同的比特率更低。
那么为什么行业需要 PAM4？縂而言之，它可以实现更高的数据吞吐量，而 PAM4 可以在大约一半的带宽内有效地将吞吐量翻倍。这里的目标是继续使用现有的信道技术，无论是我们今天使用的光纤还是印刷电路板，并实现更高的吞吐量。
脉冲幅度调制非常适合支持更高的吞吐量。但这是有代价的。PAM4确实存在较低的信噪比，因此设计更容易受到噪声的影响。将4个级别打包成2个幅度摆动会影响信噪比，大约 10 dB 的 SNR 裕度。
为了解决这个问题，需要更复杂的发射机/接收机设计。将4个级别打包成2个幅度摆动会影响信噪比，大约 10 dB 的 SNR裕度。有限的上升时间会产生固有的DDJ，从而关闭单个 PAM4眼图。要处理较小的眼图，则需要更复杂的发射机/接收机技术，因此需要 FEC。时钟恢复电路现在必须检测4个不同的级别，而不是2个，这使得设计更加困难。
垂直眼图开度小 33% 使PAM4 信号对噪声更敏感，从而导致更高的误码率。然而，PAM4 之所以成为可能，是因为前向纠错 (FEC) 可以帮助链接系统实现所需的 BER 误码率。
PAM4 与前向纠错 (FEC) 有什么关系？由于带宽增加和对噪声敏感性带来的高错误率，PAM4 系统通常辅以前向纠错 (FEC) 以保持比特错误率 (BER) 在可接受的水平。FEC 向传输数据添加冗余信息，使接收机能够检测并纠正可能发生的任何错误。将 PAM4 与 FEC 结合使用，允许高速数字系统在保持高带宽的同时保持 BER在可接受的水平。
FEC什么意思?
前向纠错码FEC和信道编码是在传输信道可靠性不高、强噪声干扰信道中进行数据传输时，用来控制接收数据包误码率（丢包、乱码）的一项技术。
我们的世界充满了噪声。噪声影响一切，包括数据传输和通信系统，无法摆脱。光通信系统的接收机直接受到噪声的影响，这使得理解接收到的信息变得更加困难。从技术上讲，当波通过光纤传输时，噪声会对光强度产生影响，而在长距离传输时，光色散会在信号中产生明显的缺陷。每当有噪声或光色散失真的影响时，光脉冲就会退化并失去其作为0或1的意义，接收机将接收到的光脉冲转换为电压。当接收机这样做时噪声太大，它会错误地解释数据，将0读为1或将1读为0。FEC前向纠错在这一点上发挥作用，因为它减少了噪声对光传输系统传输质量的影响。通过在传输之前将开销信息添加到比特流中，该方法能够检测和纠正比特流中可能存在的部分错误。数据块受专门函数的约束，这些函数的输出是奇偶校验位的生成。开销由冗余位组成，其中还包含奇偶校验位。之后，将初始数据块和这些新数据拼接在一起，产生FEC码字。之后，这个FEC码字沿着传输线发送。需要在接收端的设备上配置相同的FEC模式，以便接收端的FEC解码器机制知道对FEC码字应用什么样的功能。这允许接收机FEC解码器机制选择功能来重新生成数据并以高精度去除FEC开销。结果，产生了初始数据比特流，然后将其发送到更高的网络层。前向纠错 (FEC) 或信道编码是可以显着减少这些数据传输错误的技术。
FEC前向纠错的基本原理
前向纠错的基本原理是添加冗余比特，使解码器能够确定来自发射机的真实消息。FEC技术可以应用于数字比特流，或者在对数字调制的载波进行解调的过程中使用。许多 FEC编码器可以生成比特误码率 (BER) 信号，作为反馈信息对模拟接收电子设备进行微调。简言之，发射机会对消息进行编码，并且使用纠错码 (ECC) 添加附加比特（我们称之为冗余）。这种冗余使接收机能够检测并纠正消息中任何地方可能出现的有限数量的 误码。更强的代码需要更多的冗余和系统带宽，以便降低有效比特率，同时提高接收的有效信噪比。
需要更多PAM4信息，請查閲資料：PAM4信号的误码分析
利用某种算法将冗余比特添加到所发送的信息中，从而实现前向纠错。冗余比特可以是许多原始比特的复合函数。FEC 的简单示例是将每个数据比特发送三次。这被称为 (3, 1) 重复代码，如下图所示。接收机会收到八个版本的 3 位代码的输出。
三个采样中任何一个的误码都可以通过叫做“多数投票”的功能来纠正。上面的这种三重模块冗余的 方法得到了广泛使用，但它是一种效率稍低的 FEC形式。有效的FEC编码通常检查接收的最后几十或几百个比特，然后确定如何解码少量比特（通常以 2 到 8 比特的组合为单位）。
PAM4测量和应用
在详细介绍特定的 PAM4测量之前，我想指出需要定义进行这些测量的测试设备的频率响应。
如今，大多数标准都包括测试设备所需的频率响应。原因是测试设备的不同频率响应会影响测量眼图的形状。示波器等测试设备通常具有两种不同的频率响应：贝塞尔汤姆逊 (Bessel Thomson) 或砖墙。贝塞尔汤姆逊 (Bessel Thomson) 频率响应的特点是 4dB/十倍频程的平缓下降，而砖墙频率响应的特点是响应在 -3dB 点急剧下降。
右侧的眼图显示了贝塞尔汤姆逊 (Bessel Thomson) 或砖墙频率响应的影响。使用具有贝塞尔汤姆逊 (Bessel Thomson) 和砖墙频率响应的测试设备获取的眼图。您可以看到眼图形状的明显差异。这就是为什么当今大多数标准都包括测试设备的频率响应，以便在测量中提供更高的一致性。
尽管 PAM4 以一半的带宽将吞吐量翻倍，但信道损耗仍然很大，当走线长度为几英寸时，情况更是如此。因此，发射机和接收机仍然需要一定程度的信号调节。
发射器通常在信号进入信道之前在其输出端对信号进行去加重。如果我们查看信道末端信号的眼图，通常会观察到闭眼。接收机将在信号锁定之前应用均衡以进一步打开眼图。让我们看看 PAM4 所需的一些新测量。
通常，发射机中非线性失真的可能来源是 1) DAC 位加权误差和 2) 线性阶段的增益压缩/扩展。这些非线性或幅度压缩会改变不同过渡眼的眼高，从而由于较低过渡的信噪比较低而导致线性误差。
例如，右下角的眼图说明了眼图张开不对称的情况。左侧的第一幅图显示较小的中间眼图，右侧的眼图显示较小的顶部眼图。如果判决阈值电压电平如虚线红线所示，那么由于线性误差，您会预期出现误差。用于计算眼线性的 OIF/CEI 标准采用最小眼幅度与最大眼幅度之比。对于 IEEE，计算需要信号中间的电压电平以及可能电平的单个电压。这两项测试都将在 PRBS13Q 模式信号上执行。
IEEE 和 OIF-CEI 都引入了一项概念，即用一种将发射器确定的实际平均脉冲响应与提取的线性模型进行比较的技术来取代许多历史性的可补偿符号间干扰 (ISI) 抖动分析方法。该技术使用线性拟合脉冲峰值，并利用提取的脉冲响应来执行信噪比和失真比 (SNDR)。
SNDR 是理想信号与测量信号在指定次数的测量中的差异。
测量在 TX 输出端执行，所有通道均已启用，并且所有通道均使用相同的均衡器设置。任何未使用的通道都需要传输 PRBS31Q。对于被测通道，使用 PRBS13Q 模式进行传输。获取信号并将其导入数学程序以计算线性拟合脉冲响应 p(k) 并获取 Pmax 值。然后计算线性拟合误差波形 e(k) 以从其标准偏差中获得 SigmaE。然后测量与平均电压的 RMS 偏差以获得 SigmaN。使用之前计算出的所有值，使用此处显示的公式来计算 SNDR。
有不同的 TX 架构用于生成 PAM4信号。如果您拥有如图所示的架构，其中有两个由两个时钟缓冲器生成的 NRZ模式，则可能在不同的边缘上出现不同的不相关抖动。
因此，与 NRZ信号相比，J3/J4 和奇偶抖动的测量方式不同。对于 J3/J4 抖动，我们在 PRBS13Q 模式的 12 个特定边缘上测量 RJ/PJ，组合这些边缘并报告 J3u/J4u 抖动的结果。对于奇偶抖动，我们使用相同的 PRBS13Q 模式并报告这 12 个边缘中每个边缘的最大奇偶抖动。
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