浅谈 PAM-2 到 PAM-4 的信令技术演变

通信信令技术演进：从 PAM-2 到 PAM-4

        在当今数字化高速发展的时代，数据传输需求呈爆炸式增长，行业对通信带宽的要求愈发严苛。为顺应这一趋势，通信信令技术不断革新，曾经占据主导地位的不归零（NRZ）信令正逐渐被脉冲幅度调制级别 4（PAM-4）信令所取代。为了维持统一的命名规范，如今 NRZ 信号被重新定义为 PAM-2。

        PAM-2 信令凭借其简单易实现、性能稳健以及较低的实现成本，在各类串行通信接口领域得到了广泛应用。在 PAM-2 信令中，信号电平在每个比特间隔（bit interval）内保持恒定不变，这种特性极大地有助于维持信号的完整性，并为信号传输提供了良好的裕量。在过去的几十年间，PAM-2 一直是 PCIe 和以太网 802.3 等关键通信标准的核心技术支撑。例如，在早期的 PCIe 1.0 - 5.0 版本以及以太网 10G、25G、40G 等标准中，PAM-2 信令都发挥了至关重要的作用，保障了数据的高速、稳定传输。

        然而，随着数据传输速率的持续提升，当比特率超过 32 Gb/s 时，PAM-2 信令在带宽效率方面的局限性逐渐凸显。为突破这一瓶颈，PAM-4 信令应运而生，并迅速成为新的行业标准。

        PAM-4 信令技术专为高速数据通信而设计，其核心优势在于能够在不额外增加通道带宽的前提下，将串行数据速率有效提升一倍。这一特性使得 PAM-4 在高速通信领域大放异彩，目前已被广泛应用于 100G、200G 和 400G 以太网等高速标准中。以 400G 以太网为例，PAM-4 信令通过每个符号传输 2 比特信息，相较于 PAM-2 信令每个符号仅传输 1 比特信息，显著提高了数据传输效率，满足了数据中心、云计算等场景对超高速网络的需求。

        此外，PAM-4 信令技术也获得了 PCIe 领域的认可，已被 PCIe Gen 6 和未来规划中的 Gen 7 标准所采用。在 PCIe Gen 6 中，PAM-4 信令助力实现了高达 64 GT/s 的数据传输速率，相较于上一代 PCIe Gen 5 的 32 GT/s，性能实现了质的飞跃。

        与 PAM-2 信令仅使用两个不同的电压电平来表示数据不同，PAM-4 信令采用了四个不同的电压电平。这种多电平调制方式虽然增加了信号处理的复杂性，但也为提高数据传输速率提供了可能。然而，这也对信号的检测、均衡和误码率控制等方面提出了更高的要求，需要更先进的信号处理技术和算法来保障通信质量。

PAM-2 与 PAM-4 信令特性解析

        如图（A）所示，在 PAM-2 数据通道中，每个位时间（也称为单位间隔，UI）都承载着一个符号，这个符号能够代表逻辑零或者逻辑一。在此情形下，比特率与波特率数值相等。比特率衡量的是单位时间内传输的比特数量，而波特率则表示单位时间内传输的符号数量，由于 PAM-2 中一个符号对应一个比特，所以二者相等。

        而在 PAM-4 信令技术里，运用了格雷编码算法。该算法将来自每个 PAM-2 数据通道的一个符号编码转换为一个比特流。经过这样的编码处理后，最终形成了四个不同的电压电平。这意味着在每一个单位间隔（UI）内，能够传输两个符号。如此一来，在保持相同波特率的情况下，比特率实现了有效翻倍。举例来说，若比特率达到 56 Gb/s，那么对应的波特率就是 28 GBaud（GBd），即每秒传输 280 亿个符号。这一特性使得 PAM-4 信令在高速数据传输领域展现出巨大优势，例如在 800G 以太网以及 PCIe Gen 6 等前沿技术标准中，PAM-4 信令成为实现超高速数据传输的关键技术支撑。

        再观察图（B）中的 PAM-4 眼图，我们可以发现其呈现出三个不同的眼图张开度。与 PAM-2 中仅有的单个眼图张开相比，PAM-4 的电压幅度（VA）被均匀地三等分。这些不同的电压电平被二进制编码为 00、01、10 和 11。然而，这种独特的眼图张开度分布带来了新的问题。由于相邻电压电平之间的间隔变小，导致信噪比（SNR）降低了 9.6 dB。信噪比是衡量信号质量的重要指标，降低 9.6 dB 意味着信号更容易受到噪声的干扰，从而增加了数据传输出错的概率。

        为了应对这一问题，需要采用更高级的信号处理和纠错技术。幸运的是，前向纠错（FEC）编码技术应运而生。FEC 编码通过在发送端对数据进行编码，添加冗余信息，在接收端利用这些冗余信息检测并纠正传输过程中产生的错误。目前，FEC 技术在高速通信系统中得到了广泛应用，例如在 400G/800G 光模块以及高速数据中心互联等领域，FEC 技术有效提高了数据传输的可靠性和稳定性，保障了 PAM-4 信令在高速通信中的性能发挥。

        总之，从 PAM-2 到 PAM-4 的信令技术演进，是通信行业为满足不断增长的带宽需求而做出的必然选择。随着技术的持续发展，未来或许还会有更先进的信令技术出现，但 PAM-4 信令在现阶段无疑为高速数据通信领域的发展注入了强大动力。