PAM-4编码技术

PAM是超过32Gbps的高速信号或光信号互联的一种传输技术，目前PAM-4信号被广泛应用于200G/400G的以太网电信号或光信号传输，PCIe6.0中也将采用PAM-4的信号调制。在更高速率的信号传输中，目前有两种编码方案可供参考：Non-Return-to-Zero (NRZ)，也称为Pulse-Amplitude Modulation 2-Level (PAM2)和Pulse-Amplitude Modulation 4-Level (PAM4)。由于NRZ的奈奎斯特频率较高，从而导致与通道有关的损耗较高，因此PAM4已成为更可行的解决方案。

PAM-4和NRZ编码

NRZ是一种调制技术，有两个电压电平来表示逻辑0和逻辑1。PAM4使用四个电压电平来表示两位逻辑(11、10、01和00)的四个组合。与NRZ相比，PAM4的优点是：在相同的波特率(28 GBaud PAM4 = 56 Gbs)下，PAM4有一半的奈奎斯特频率和两倍的吞吐量，因为每个电压电平(“symbol”)代表两位信息。

   以200G-KR4为例，单lane的速率为56Gpbs，在56 Gbps下，PAM4所要求的奈奎斯特频率是NRZ所要求的奈奎斯特频率的一半。如采用NRZ的编码方式，则频率为28GHz，如采用PAM4编码的方式，则频率为14GHz，通常来讲，随着频率的升高，插损会极具增大，而PAM4编码方式+SNR的损耗任会小于NRZ的编码方式。

PAM4的奈奎斯特频率为56/4=14GHz，NRZ的奈奎斯特频率为56/2=28GHz。优点是使数据密度加倍；使用相同的过采样率实现更高的分辨率，将相同的总噪声功率分布在更宽的频率上，从而降低带宽中的噪声功率。但是也存在一些缺点。PAM4信号的振幅是类似NRZ信号振幅的1/3。因此，PAM4信号具有较差的信噪比(SNR)。由于PAM4信号中电压电平之间的间隔较小，因此PAM4信号更容易受到噪声的影响。当把所有的非线性影响考虑在内时，SNR损耗约为11 dB。

方程1：SNR损耗与NRZ信号相比，PAM4信号的SNR损耗约为9.5 dB。

协议特征

现阶段关于200G、400G的以太网协议基本都采用PAM-4的协议标准，如200G-KR4、400G-SR8等协议标准中蕴含了协议特征的信息，如数据速率和传输介质等。以400G-SR8为例，指实现400Gbps的数据速率由8个lane完成，其中每个lane的速率为53.125Gbps。名称中400G指400Gbps，SR指光纤传输，8指由8条lane组成。

名词注解：

CR: Copper cable指铜缆，KR:Backplane指高速背板，Optical为光纤。

通道速率计算   

当采用不同的协议标准时，对于每个通道的数据速率该如何计算呢？结合上一篇文章“400G以太网简述”中的内容可以很好的做出解释，200G、400GBASE-R标准中，在MAC层采用64b/66b的方式对数据进行编解码处理。同时在PCS层中有定义到在PMA层，每4个66bit的数据块合成后进行256b/257b的编码，映射到257bit的数据块中。

综上，关于采用不同协议标准时的具体通道速率计算应采用如下公式，其中PCS指在PMA层对数据块采用256b/257b的编码，RS FEC指FSC编码和解码处理（在协议的PCS层有说明），PCS层实现一个基于RS（544,514）的FEC编码器。

以400G-SR4为例，具体的通道速率应为：

由于PCS层对编码方式做了定义，同时400G-SR4中，400G除以4lane为100G，依此类推可计算出，200G-KR4标准中每个通道的具体速率应为53.125Gbps。

典型应用

IEEE Std 802.3-2018协议标准针对不同应用场合、连接方式分为VSR、MR、CR、KR、LR等，简易划分如下图所示（此部分插图来源于intel官方文档）

 VSR常应用于Chip-to-Module场景下，即短距离的芯片到模块，常简称为C2M。

LR应用于Chip to Chip Across a Backplane/Midplane or a Cable，即背板/中板或线缆。

编码方式

PAM-4和NRZ在相同的信号摆幅下，PAM-4采用4个电平进行信号传输，相邻两个电平间的幅值差异只有NRZ的1/3，为了保证接收端能够区分出信号电平的差异，当采用PAM-4信号调制时，为了避免噪声对信号的干扰，PAM-4的信号通常采用格雷编码技术。

线性编码	格雷编码
00	00
01	01
10	11
11	10

相比线性编码，格雷编码的优势在于每次只有1bit的反转，当接收端受到噪声的影响时，相邻电平出错的最多为1bit，而如果采用线性编码则出错可能为2bit。尽可能的减少噪声的影响。另外在实际应用中，无法保证0误码，在相同的信噪比环境下，PAM-4信号的误码率远大于NRZ信号的误码率。为了保证数据传输的可靠性，PAM-4普遍采用FEC的纠错机制。FEC是在数据传输时插入一些纠错码，然后接收端再根据收到的数据进行校验和纠错。FEC机制优点是避免数据集中的出错，来减少信号误码率。FEC机制的缺点是会造成数据的冗余，导致实际传输速率降低。

IEEE Std 802.3协议规定，当接口为200GBASE-8或400GBASE-16时，每个lane的比特率为26.5625Gb/s，此时波特率等于比特率。当接口为200GBASE-4或400GBASE-8时，波特率等于比特率的一半。     

设计挑战

在PAM-4信号的接口设计上，应尽量保证信号的稳定性，降低如ISI码间干扰、抖动、噪声等对信号的影响，常规设计上应结合SI仿真对整个链路进行技术风险的把控。

下篇文章将从信号完整性的角度，对PAM-4信号进行解析。