用于高速互联D2D Serdes接口中的PAM-4 技术（挑战篇）

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PAM-4调制技术将被广泛运用PAM-4调制技术将被广泛运用

　　5G高带宽和人工智能应用的蓬勃发展所带来的数据传输率不断升级，让现有的数据中心基础设施，包括服务器、存储和网络设备备感压力。回顾奎芯科技公众号文章中提及，近年来采用高性能的先进封装，搭配D2D互联的Chiplet方案来突破传统处理器架构的算力瓶颈，是后摩尔时代芯片集成大趋势。在这样的趋势推动下，四阶脉冲调制(PAM-4)方式开始被广泛运用，我们将在本文为大家介绍热门的PAM-4变调技术及应用！

　　云服务商一直推动以更高速的以太网路方案来解决急剧上升数据率问题，包含路由器连接、以太网无源光网络 (EPON)、用于光传输网络 (OTN) 设备的客户端光学器件以及有线和无线回程等。2010年，云服务提供商率先在超大规模数据中心大规模采用 10GbE 服务器。伴随人工智能和元宇宙应用程序的巨大需求，超大规模数据中心和云服务商的带宽需求继续呈指数级增长，目前已从 25GbE迁移到更高并推动了 100、200 和 400GbE 的多种多模和单模光纤解决方案，Google、Meta、Amazon 等超大规模数据中心都已实施了100 Gigabit 以太网路连接。PAM-4 技术概要

　　由以太网标准作为典型通信通道上的系统来延伸讨论。数据链路由发送器 (TX)、通道和接收器 (RX) 组成。数据由发送器向信道发送，信道由印刷电路板 (PCB) 走线、连接器组成，并在接收器处恢复。对于不同应用场景，有多项有线通讯规格如56Gb/s OIF 极短距离 (VSR)、中距离 (MR) 和长距离 (LR) 标准。IEEE 802.3 以太网工作组负责在 2021 年秋季前以 IEEE 802.3ck 的名称完成该标准，该标准由使用 100Gb/s 通道的 100、200 和 400GbE 组成。非营利组织光互联网络论坛 (OIF) 也在制定通用电气 I/O (CEI) 112G 标准，该标准针对 112Gb/s 电气接口，如图一所示。

图一：CEI 112G 的通道覆盖项目

　　高速的主要挑战是通道使用高频带宽，尤其是12.5GHz以上的带宽。基于此原因，未来更高比特率传输的标准（200 - 400G以太网等）将放弃传统的不归零(Non-return-to-zero，NRZ)编码，转而采用更复杂的编码，如频谱效率高的多阶脉冲调制(N-level Pulse Amplitude Modulation，PAM-N)，而四阶脉冲调制(PAM-4)的方式最为广泛应用。在NRZ信号中，一位是一个符号，具有两个不同的幅度电平“0”或“1”。若符号以波特率(Baud Rate)表示，则NRZ 比特率等于其符号率，其中 1Gb/s 等于 1Gbaud。

　　PAM-4 信号使用四个不同的级别，其中每个级别对应一个符号，代表两位比特。每个符号两位比特，波特率是比特率的一半。例如，56Gbaud PAM-4 等于112Gbaud NRZ (112Gb/s)。因此与NRZ相比，PAM-4 使用一半的带宽实现同样的吞吐量。

　　在标准线性 PAM-4 信号中，有可能同时发生两个转换。这些转换会导致每个符号出现两位错误。如果将标准 PAM-4 信号转换为格雷码，则误码率 (Bit-Error Rate，BER) 会降低到每个符号一位比特，总误码率会减半。误码率可以表示为决策点处信噪比(Signal-to-noise ratio，SNR) 的函数：与 NRZ 的两个级别相比，PAM-4 有四个级别，导致 12 种不同的信号切换。如图二所示，这些转换可以通过将其切割成两位比特（或一个符号）间隔长的段并覆盖它们来转换为眼图（Eye Diagram）。

图二：NRZ与PAM-4数字信号的传输质量的对比显示

PAM-4 技术挑战

　　PAM-4编码将原先NRZ的数据切分为四阶，使得奈奎斯特频率为NRZ的一半，如图三所示。PAM-4因而得到的好处包括：将数据密度加倍，使用相同的过采样率实现更高的分辨率，以及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。PAM-4 信号的幅度是类似 NRZ 信号幅度的 1/3，PAM-4信噪比相较于NRZ降低9.5dB，但增加了误码率。因此在数字物理层中常需要加入错误更正码的技术，由此增加了硬件实现的复杂度。由于 PAM-4 信号中电压电平之间的间距更小，容易受到电路非理想效应影响而增加非线性损耗。

图三：PAM-4和NRZ的频谱比较

资料来源: Tektronix, Rambus, Intel　　面对PAM-4的运用前景及设计挑战，奎芯科技研发团队掌握关键技术及丰富经验来多元化实现PAM-4，助力IP设计市场的需求，并提供优秀的解决方案！下一篇我们更进一步阐述PAM-4技术「PAM-4系统中接收器和发射器的电路模块及架构」，敬请期待！end

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