為什么以太網(wǎng)傳輸不使用高階（類(lèi)似QAM）的調(diào)制方式？而是采用PAM4？
為什么行業(yè)需要PAM4？因爲(wèi)PAM4可以在大約一半的帶寬內(nèi)有效地將吞吐量翻倍?。?！PAM4使用四個(gè)電壓級(jí)別每時(shí)鐘信號(hào)傳輸 2 比特，相比傳統(tǒng)的無(wú)歸零 (NRZ) 信號(hào)，數(shù)據(jù)速率翻倍。
PAM是什么意思？
PAM（Pulse Amplitude Modulation)脈沖幅度調(diào)制信號(hào)是下一代數(shù)據(jù)中心做高速信號(hào)互連的一種熱門(mén)信號(hào)傳輸技術(shù)，可以廣泛應(yīng)用于200G/400G接口的電信號(hào)或光信號(hào)傳輸。脈沖幅度調(diào)制是一種在物理層使用的多電平信號(hào)方案，允許通過(guò)改變電壓脈沖的幅度來(lái)每時(shí)鐘周期傳輸多個(gè)比特。結(jié)果是數(shù)據(jù)速率增加。PAM4使用四個(gè)電壓級(jí)別每時(shí)鐘信號(hào)傳輸 2 比特，相比傳統(tǒng)的無(wú)歸零 (NRZ) 信號(hào)，數(shù)據(jù)速率翻倍。
高速接口的路線(xiàn)圖IEEE以太網(wǎng)已經(jīng)在400G和800G以太網(wǎng)中使用PAM4調(diào)制方案。您還可以看到其他技術(shù)如計(jì)算機(jī)串行總線(xiàn)（包括 PCIe 6、7 和 USB 5）將利用脈沖幅度, 內(nèi)存技術(shù)也將加入PAM4 潮流。
數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的架構(gòu)
這裏突出顯示的是為數(shù)據(jù)中心互連子系統(tǒng)之間的傳輸而定義的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。我們從左側(cè)的交換機(jī) ASIC開(kāi)始，它按照 CEI-56G 的定義傳輸?shù)胶谄矫?。直到它到達(dá)主機(jī) ASIC，CAUI 標(biāo)準(zhǔn)接管傳輸，也是在 56G PAM4 中。右側(cè)是傳輸變?yōu)楣鈱W(xué)的地方，也是在 PAM4 中。大多數(shù)傳輸都利用了 PAM-4 的各種速度等級(jí)。因此，很明顯，PAM4 已經(jīng)廣泛部署用于數(shù)據(jù)中心互連。
PAM4的優(yōu)勢(shì)是什么？
PAM4 通過(guò)每時(shí)鐘周期編碼兩位比特，在不需要額外帶寬的情況下將數(shù)據(jù)速率翻倍。多電平信號(hào)更具帶寬和光譜效率，在不增加信號(hào)傳輸速度 (波特率) 的情況下傳輸最多的數(shù)據(jù)。
PAM4 如何影響信號(hào)完整性？
PAM4 信號(hào)由于噪聲閾值的降低，對(duì)噪聲和失真的敏感度更高。隨著電壓水平的增加，它們之間的閾值 (定義比特) 變得更小。隨著信號(hào)速度和信號(hào)級(jí)別的增加，保持跨噪聲信道的適當(dāng)信號(hào)完整性變得更加重要，需要進(jìn)一步的均衡和錯(cuò)誤校正。
推薦白皮書(shū)：
信號(hào)完整性基礎(chǔ)知識(shí)
www.keysight.com.cn/cn/zh/assets/7018-06883/white-papers/5992-4324.pdf
"學(xué)習(xí)關(guān)于從仿真到測(cè)量的信號(hào)完整性基礎(chǔ)知識(shí)，幫助您設(shè)計(jì)出成本更低、可靠性高的高速數(shù)字設(shè)備。"
哪些技術(shù)使用 PAM4？
PAM4 目前用于 IEEE 802.3 和 OIF-CEI 以太網(wǎng)電氣和光學(xué)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，以及 PCIe 6.0 用于更快的串行外設(shè)通信。它還用于其他技術(shù)，如無(wú)線(xiàn)基站和車(chē)載網(wǎng)絡(luò)(汽車(chē)以太網(wǎng))。
PAM4 的未來(lái)是什么？
目前，400GE、800GE 和 1.6T 以太網(wǎng)將繼續(xù)使用 PAM4 信號(hào) (112 GBd、224 Gb/s 車(chē)道速度)。然而，其他技術(shù)使用不同的 PAM-N 級(jí)別，包括使用 PAM3 實(shí)現(xiàn) 80 Gbps 傳輸?shù)?USB4 版本 2.0。PAM6、PAM8 和 PAM16 被考慮用于未來(lái)的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，而相干光學(xué)使用 QAM (正交幅度調(diào)制)，它在兩個(gè)維度上調(diào)制信號(hào)。
為什么行業(yè)需要 PAM-4，而不是NRZ？
NRZ和PAM4的區(qū)別
數(shù)據(jù)中心多年以來(lái)一直使用非歸零（NRZ）調(diào)制技術(shù)。但是，NRZ無(wú)法在維持低成本的同時(shí)滿(mǎn)足對(duì)更快數(shù)據(jù)吞吐量和更長(zhǎng)距離通信的需求。網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)需要進(jìn)一步演進(jìn)以便克服 NRZ 的局限性。新一代標(biāo)準(zhǔn)將使用 PAM4調(diào)制，這種PAM調(diào)制方式在相同帶寬下能夠提供兩倍以上的吞吐量。根據(jù)香農(nóng)-哈特利定理，在存在噪聲的情況下，在特定信道帶寬上，理論上無(wú)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的最大數(shù)量是有限的。必須增加信道帶寬或信號(hào)電平數(shù)量，以提高數(shù)據(jù)速率或信道容量。非歸零 (NRZ) 和 PAM4是兩種可以實(shí)現(xiàn) 400GE 的調(diào)制技術(shù)。隨著 NRZ設(shè)計(jì)的速度增加到 28 千兆位/秒 (Gb/s) 以上，傳輸介質(zhì)中的信道損耗是一個(gè)限制因素。建議使用 PAM4 來(lái)達(dá)到 400GE 速度。
PAM 代表脈沖幅度調(diào)制，這里顯示了它與不歸零信號(hào)或 NZ 之間的區(qū)別。NRZ信號(hào)有兩個(gè)級(jí)別，表示邏輯“1”或“0”。PAM 有 4 個(gè)級(jí)別，因此能夠表示 4 種邏輯狀態(tài)。換句話(huà)說(shuō)，每個(gè)符號(hào)中有 2 位信息。對(duì)于 NRZ信號(hào)，比特率等于波特率。對(duì)于 PAM4信號(hào)，比特率等于波特率乘以符號(hào)數(shù)。每個(gè)符號(hào)有 4 種邏輯狀態(tài)，有 2 位信息。因此，PAM4 信號(hào)的比特率是波特率乘以 2。對(duì)于 56 Gbps 比特率，PAM4信號(hào)的波特率為 28 GBd。
如果我們檢查 NRZ 和 PAM4 信號(hào)的頻率內(nèi)容，我們將能夠確定傳輸所需的帶寬量。讓我們舉個(gè)例子。對(duì)于相同的吞吐量，如果 NRZ 為 32 Gbps，則 PAM4 以 32 Gbps 或 16 GBd（每秒）的速度運(yùn)行。從頻譜中，我們可以看到 PAM4 的奈奎斯特頻率為 32/4 = 8 GHz，而 NRZ 的奈奎斯特頻率為 32/2 = 16 GHz很明顯，通過(guò)使用脈沖幅度調(diào)制，它需要的帶寬對(duì)于相同的比特率更低。那么為什么行業(yè)需要 PAM4？而言之，它可以實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)吞吐量，而 PAM4 可以在大約一半的帶寬內(nèi)有效地將吞吐量翻倍。這里的目標(biāo)是繼續(xù)使用現(xiàn)有的信道技術(shù)，無(wú)論是我們今天使用的光纖還是印刷電路板，并實(shí)現(xiàn)更高的吞吐量。
脈沖幅度調(diào)制非常適合支持更高的吞吐量。但這是有代價(jià)的。PAM4確實(shí)存在較低的信噪比，因此設(shè)計(jì)更容易受到噪聲的影響。將4個(gè)級(jí)別打包成2個(gè)幅度擺動(dòng)會(huì)影響信噪比，大約 10 dB 的 SNR 裕度。
為了解決這個(gè)問(wèn)題，需要更復(fù)雜的發(fā)射器/接收器設(shè)計(jì)。將4個(gè)級(jí)別打包成2個(gè)幅度擺動(dòng)會(huì)影響信噪比，大約 10 dB 的 SNR裕度。有限的上升時(shí)間會(huì)產(chǎn)生固有的DDJ，從而關(guān)閉單個(gè) PAM4眼圖。要處理較小的眼圖，則需要更復(fù)雜的發(fā)射器/接收器技術(shù)，因此需要 FEC。時(shí)鐘恢復(fù)電路現(xiàn)在必須檢測(cè)4個(gè)不同的級(jí)別，而不是2個(gè)，這使得設(shè)計(jì)更加困難。
垂直眼圖開(kāi)度小 33% 使PAM4 信號(hào)對(duì)噪聲更敏感，從而導(dǎo)致更高的誤碼率。然而，PAM4 之所以成為可能，是因?yàn)榍跋蚣m錯(cuò) (FEC) 可以幫助鏈接系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)所需的 BER 誤碼率。
PAM4 與前向糾錯(cuò) (FEC) 有什么關(guān)系？由于帶寬增加和對(duì)噪聲敏感性帶來(lái)的高錯(cuò)誤率，PAM4 系統(tǒng)通常輔以前向糾錯(cuò) (FEC) 以保持比特錯(cuò)誤率 (BER) 在可接受的水平。FEC 向傳輸數(shù)據(jù)添加冗余信息，使接收器能夠檢測(cè)并糾正可能發(fā)生的任何錯(cuò)誤。將 PAM4 與 FEC 結(jié)合使用，允許高速數(shù)字系統(tǒng)在保持高帶寬的同時(shí)保持 BER在可接受的水平。
FEC什么意思?
前向糾錯(cuò)碼FEC和信道編碼是在傳輸信道可靠性不高、強(qiáng)噪聲干擾信道中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，用來(lái)控制接收數(shù)據(jù)包誤碼率（丟包、亂碼）的一項(xiàng)技術(shù)。
我們的世界充滿(mǎn)了噪聲。噪聲影響一切，包括數(shù)據(jù)傳輸和通信系統(tǒng)，無(wú)法擺脫。光通信系統(tǒng)的接收器直接受到噪聲的影響，這使得理解接收到的信息變得更加困難。從技術(shù)上講，當(dāng)波通過(guò)光纖傳輸時(shí)，噪聲會(huì)對(duì)光強(qiáng)度產(chǎn)生影響，而在長(zhǎng)距離傳輸時(shí)，光色散會(huì)在信號(hào)中產(chǎn)生明顯的缺陷。每當(dāng)有噪聲或光色散失真的影響時(shí)，光脈沖就會(huì)退化并失去其作為0或1的意義，接收器將接收到的光脈沖轉(zhuǎn)換為電壓。當(dāng)接收器這樣做時(shí)噪聲太大，它會(huì)錯(cuò)誤地解釋數(shù)據(jù)，將0讀為1或?qū)?讀為0。FEC前向糾錯(cuò)在這一點(diǎn)上發(fā)揮作用，因?yàn)樗鼫p少了噪聲對(duì)光傳輸系統(tǒng)傳輸質(zhì)量的影響。通過(guò)在傳輸之前將開(kāi)銷(xiāo)信息添加到比特流中，該方法能夠檢測(cè)和糾正比特流中可能存在的部分錯(cuò)誤。數(shù)據(jù)塊受專(zhuān)門(mén)函數(shù)的約束，這些函數(shù)的輸出是奇偶校驗(yàn)位的生成。開(kāi)銷(xiāo)由冗余位組成，其中還包含奇偶校驗(yàn)位。之后，將初始數(shù)據(jù)塊和這些新數(shù)據(jù)拼接在一起，產(chǎn)生FEC碼字。之后，這個(gè)FEC碼字沿著傳輸線(xiàn)發(fā)送。需要在接收端的設(shè)備上配置相同的FEC模式，以便接收端的FEC解碼器機(jī)制知道對(duì)FEC碼字應(yīng)用什么樣的功能。這允許接收器FEC解碼器機(jī)制選擇功能來(lái)重新生成數(shù)據(jù)并以高精度去除FEC開(kāi)銷(xiāo)。結(jié)果，產(chǎn)生了初始數(shù)據(jù)比特流，然后將其發(fā)送到更高的網(wǎng)絡(luò)層。前向糾錯(cuò) (FEC) 或信道編碼是可以顯著減少這些數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤的技術(shù)。前向糾錯(cuò)的基本原理是添加冗余比特，使解碼器能夠確定來(lái)自發(fā)射機(jī)的真實(shí)消息。FEC技術(shù)可以應(yīng)用于數(shù)字比特流，或者在對(duì)數(shù)字調(diào)制的載波進(jìn)行解調(diào)的過(guò)程中使用。許多 FEC編碼器可以生成比特誤碼率 (BER) 信號(hào)，作為反饋信息對(duì)模擬接收電子設(shè)備進(jìn)行微調(diào)。簡(jiǎn)言之，發(fā)射機(jī)會(huì)對(duì)消息進(jìn)行編碼，并且使用糾錯(cuò)碼 (ECC) 添加附加比特（我們稱(chēng)之為冗余）。這種冗余使接收機(jī)能夠檢測(cè)并糾正消息中任何地方可能出現(xiàn)的有限數(shù)量的 誤碼。更強(qiáng)的代碼需要更多的冗余和系統(tǒng)帶寬，以便降低有效比特率，同時(shí)提高接收的有效信噪比。
需要更多PAM4信息，請(qǐng)查閲資料：
FEC前向糾錯(cuò)原理
利用某種算法將冗余比特添加到所發(fā)送的信息中，從而實(shí)現(xiàn)前向糾錯(cuò)。冗余比特可以是許多原始比特的復(fù)合函數(shù)。FEC 的簡(jiǎn)單示例是將每個(gè)數(shù)據(jù)比特發(fā)送三次。這被稱(chēng)為 (3, 1) 重復(fù)代碼，如下面的圖 1 所示。接收機(jī)會(huì)收到八個(gè)版本的 3 位代碼的輸出。
三個(gè)采樣中任何一個(gè)的誤碼都可以通過(guò)叫做“多數(shù)投票”的功能來(lái)糾正。上面的這種三重模塊冗余的 方法得到了廣泛使用，但它是一種效率稍低的 FEC形式。有效的FEC編碼通常檢查接收的最后幾十或幾百個(gè)比特，然后確定如何解碼少量比特（通常以 2 到 8 比特的組合為單位）。
PAM4測(cè)量和應(yīng)用
在詳細(xì)介紹特定的 PAM4測(cè)量之前，我想指出需要定義進(jìn)行這些測(cè)量的測(cè)試設(shè)備的頻率響應(yīng)。
如今，大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)都包括測(cè)試設(shè)備所需的頻率響應(yīng)。原因是測(cè)試設(shè)備的不同頻率響應(yīng)會(huì)影響測(cè)量眼圖的形狀。示波器等測(cè)試設(shè)備通常具有兩種不同的頻率響應(yīng)：貝塞爾湯姆遜 (Bessel Thomson) 或磚墻。貝塞爾湯姆遜 (Bessel Thomson) 頻率響應(yīng)的特點(diǎn)是 4dB/十倍頻程的平緩下降，而磚墻頻率響應(yīng)的特點(diǎn)是響應(yīng)在 -3dB 點(diǎn)急劇下降。
右側(cè)的眼圖顯示了貝塞爾湯姆遜 (Bessel Thomson) 或磚墻頻率響應(yīng)的影響。使用具有貝塞爾湯姆遜 (Bessel Thomson) 和磚墻頻率響應(yīng)的測(cè)試設(shè)備獲取的眼圖。您可以看到眼圖形狀的明顯差異。這就是為什么當(dāng)今大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)都包括測(cè)試設(shè)備的頻率響應(yīng)，以便在測(cè)量中提供更高的一致性。
盡管 PAM4 以一半的帶寬將吞吐量翻倍，但信道損耗仍然很大，當(dāng)走線(xiàn)長(zhǎng)度為幾英寸時(shí)，情況更是如此。因此，發(fā)射器和接收器仍然需要一定程度的信號(hào)調(diào)節(jié)。
發(fā)射器通常在信號(hào)進(jìn)入信道之前在其輸出端對(duì)信號(hào)進(jìn)行去加重。如果我們查看信道末端信號(hào)的眼圖，通常會(huì)觀(guān)察到閉眼。接收器將在信號(hào)鎖定之前應(yīng)用均衡以進(jìn)一步打開(kāi)眼圖。讓我們看看 PAM4 所需的一些新測(cè)量。
通常，發(fā)射機(jī)中非線(xiàn)性失真的可能來(lái)源是 1) DAC 位加權(quán)誤差和 2) 線(xiàn)性階段的增益壓縮/擴(kuò)展。這些非線(xiàn)性或幅度壓縮會(huì)改變不同過(guò)渡眼的眼高，從而由于較低過(guò)渡的信噪比較低而導(dǎo)致線(xiàn)性誤差。
例如，右下角的眼圖說(shuō)明了眼圖張開(kāi)不對(duì)稱(chēng)的情況。左側(cè)的第一幅圖顯示較小的中間眼圖，右側(cè)的眼圖顯示較小的頂部眼圖。如果判決閾值電壓電平如虛線(xiàn)紅線(xiàn)所示，那么由于線(xiàn)性誤差，您會(huì)預(yù)期出現(xiàn)誤差。用于計(jì)算眼線(xiàn)性的 OIF/CEI 標(biāo)準(zhǔn)采用最小眼幅度與最大眼幅度之比。對(duì)于 IEEE，計(jì)算需要信號(hào)中間的電壓電平以及可能電平的單個(gè)電壓。這兩項(xiàng)測(cè)試都將在 PRBS13Q 模式信號(hào)上執(zhí)行。
IEEE 和 OIF-CEI 都引入了一項(xiàng)概念，即用一種將發(fā)射器確定的實(shí)際平均脈沖響應(yīng)與提取的線(xiàn)性模型進(jìn)行比較的技術(shù)來(lái)取代許多歷史性的可補(bǔ)償符號(hào)間干擾 (ISI) 抖動(dòng)分析方法。該技術(shù)使用線(xiàn)性擬合脈沖峰值，并利用提取的脈沖響應(yīng)來(lái)執(zhí)行信噪比和失真比 (SNDR)。
SNDR 是理想信號(hào)與測(cè)量信號(hào)在指定次數(shù)的測(cè)量中的差異。
測(cè)量在 TX 輸出端執(zhí)行，所有通道均已啟用，并且所有通道均使用相同的均衡器設(shè)置。任何未使用的通道都需要傳輸 PRBS31Q。對(duì)于被測(cè)通道，使用 PRBS13Q 模式進(jìn)行傳輸。獲取信號(hào)并將其導(dǎo)入數(shù)學(xué)程序以計(jì)算線(xiàn)性擬合脈沖響應(yīng) p(k) 并獲取 Pmax 值。然后計(jì)算線(xiàn)性擬合誤差波形 e(k) 以從其標(biāo)準(zhǔn)偏差中獲得 SigmaE。然后測(cè)量與平均電壓的 RMS 偏差以獲得 SigmaN。使用之前計(jì)算出的所有值，使用此處顯示的公式來(lái)計(jì)算 SNDR。
有不同的 TX 架構(gòu)用于生成 PAM4信號(hào)。如果您擁有如圖所示的架構(gòu)，其中有兩個(gè)由兩個(gè)時(shí)鐘緩沖器生成的 NRZ模式，則可能在不同的邊緣上出現(xiàn)不同的不相關(guān)抖動(dòng)。
因此，與 NRZ信號(hào)相比，J3/J4 和奇偶抖動(dòng)的測(cè)量方式不同。
對(duì)于 J3/J4 抖動(dòng)，我們?cè)?PRBS13Q 模式的 12 個(gè)特定邊緣上測(cè)量 RJ/PJ，組合這些邊緣并報(bào)告 J3u/J4u 抖動(dòng)的結(jié)果。
對(duì)于奇偶抖動(dòng)，我們使用相同的 PRBS13Q 模式并報(bào)告這 12 個(gè)邊緣中每個(gè)邊緣的最大奇偶抖動(dòng)。
原文地址：(28 封私信 / 99+ 條消息) 為什么以太網(wǎng)傳輸不使用高階（類(lèi)似QAM）的調(diào)制方式？而是采用PAM4？ - 知乎 (zhihu.com)
為什么行業(yè)需要PAM4？因爲(wèi)PAM4可以在大約一半的帶寬內(nèi)有效地將吞吐量翻倍?。?！PAM4使用四個(gè)電壓級(jí)別每時(shí)鐘信號(hào)傳輸 2 比特，相比傳統(tǒng)的無(wú)歸零 (NRZ) 信號(hào)，數(shù)據(jù)速率翻倍。
PAM是什么意思？
PAM（Pulse Amplitude Modulation)脈沖幅度調(diào)制信號(hào)是下一代數(shù)據(jù)中心做高速信號(hào)互連的一種熱門(mén)信號(hào)傳輸技術(shù)，可以廣泛應(yīng)用于200G/400G接口的電信號(hào)或光信號(hào)傳輸。脈沖幅度調(diào)制是一種在物理層使用的多電平信號(hào)方案，允許通過(guò)改變電壓脈沖的幅度來(lái)每時(shí)鐘周期傳輸多個(gè)比特。結(jié)果是數(shù)據(jù)速率增加。PAM4使用四個(gè)電壓級(jí)別每時(shí)鐘信號(hào)傳輸 2 比特，相比傳統(tǒng)的無(wú)歸零 (NRZ) 信號(hào)，數(shù)據(jù)速率翻倍。
高速接口的路線(xiàn)圖IEEE以太網(wǎng)已經(jīng)在400G和800G以太網(wǎng)中使用PAM4調(diào)制方案。您還可以看到其他技術(shù)如計(jì)算機(jī)串行總線(xiàn)（包括 PCIe 6、7 和 USB 5）將利用脈沖幅度, 內(nèi)存技術(shù)也將加入PAM4 潮流。
數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的架構(gòu)
這裏突出顯示的是為數(shù)據(jù)中心互連子系統(tǒng)之間的傳輸而定義的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。我們從左側(cè)的交換機(jī) ASIC開(kāi)始，它按照 CEI-56G 的定義傳輸?shù)胶谄矫?。直到它到達(dá)主機(jī) ASIC，CAUI 標(biāo)準(zhǔn)接管傳輸，也是在 56G PAM4 中。右側(cè)是傳輸變?yōu)楣鈱W(xué)的地方，也是在 PAM4 中。大多數(shù)傳輸都利用了 PAM-4 的各種速度等級(jí)。因此，很明顯，PAM4 已經(jīng)廣泛部署用于數(shù)據(jù)中心互連。
PAM4的優(yōu)勢(shì)是什么？
PAM4 通過(guò)每時(shí)鐘周期編碼兩位比特，在不需要額外帶寬的情況下將數(shù)據(jù)速率翻倍。多電平信號(hào)更具帶寬和光譜效率，在不增加信號(hào)傳輸速度 (波特率) 的情況下傳輸最多的數(shù)據(jù)。
PAM4 如何影響信號(hào)完整性？
PAM4 信號(hào)由于噪聲閾值的降低，對(duì)噪聲和失真的敏感度更高。隨著電壓水平的增加，它們之間的閾值 (定義比特) 變得更小。隨著信號(hào)速度和信號(hào)級(jí)別的增加，保持跨噪聲信道的適當(dāng)信號(hào)完整性變得更加重要，需要進(jìn)一步的均衡和錯(cuò)誤校正。
推薦白皮書(shū)：
信號(hào)完整性基礎(chǔ)知識(shí)
www.keysight.com.cn/cn/zh/assets/7018-06883/white-papers/5992-4324.pdf
"學(xué)習(xí)關(guān)于從仿真到測(cè)量的信號(hào)完整性基礎(chǔ)知識(shí)，幫助您設(shè)計(jì)出成本更低、可靠性高的高速數(shù)字設(shè)備。"
哪些技術(shù)使用 PAM4？
PAM4 目前用于 IEEE 802.3 和 OIF-CEI 以太網(wǎng)電氣和光學(xué)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，以及 PCIe 6.0 用于更快的串行外設(shè)通信。它還用于其他技術(shù)，如無(wú)線(xiàn)基站和車(chē)載網(wǎng)絡(luò)(汽車(chē)以太網(wǎng))。
PAM4 的未來(lái)是什么？
目前，400GE、800GE 和 1.6T 以太網(wǎng)將繼續(xù)使用 PAM4 信號(hào) (112 GBd、224 Gb/s 車(chē)道速度)。然而，其他技術(shù)使用不同的 PAM-N 級(jí)別，包括使用 PAM3 實(shí)現(xiàn) 80 Gbps 傳輸?shù)?USB4 版本 2.0。PAM6、PAM8 和 PAM16 被考慮用于未來(lái)的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，而相干光學(xué)使用 QAM (正交幅度調(diào)制)，它在兩個(gè)維度上調(diào)制信號(hào)。
為什么行業(yè)需要 PAM-4，而不是NRZ？
NRZ和PAM4的區(qū)別
數(shù)據(jù)中心多年以來(lái)一直使用非歸零（NRZ）調(diào)制技術(shù)。但是，NRZ無(wú)法在維持低成本的同時(shí)滿(mǎn)足對(duì)更快數(shù)據(jù)吞吐量和更長(zhǎng)距離通信的需求。網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)需要進(jìn)一步演進(jìn)以便克服 NRZ 的局限性。新一代標(biāo)準(zhǔn)將使用 PAM4調(diào)制，這種PAM調(diào)制方式在相同帶寬下能夠提供兩倍以上的吞吐量。根據(jù)香農(nóng)-哈特利定理，在存在噪聲的情況下，在特定信道帶寬上，理論上無(wú)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的最大數(shù)量是有限的。必須增加信道帶寬或信號(hào)電平數(shù)量，以提高數(shù)據(jù)速率或信道容量。非歸零 (NRZ) 和 PAM4是兩種可以實(shí)現(xiàn) 400GE 的調(diào)制技術(shù)。隨著 NRZ設(shè)計(jì)的速度增加到 28 千兆位/秒 (Gb/s) 以上，傳輸介質(zhì)中的信道損耗是一個(gè)限制因素。建議使用 PAM4 來(lái)達(dá)到 400GE 速度。
PAM 代表脈沖幅度調(diào)制，這里顯示了它與不歸零信號(hào)或 NZ 之間的區(qū)別。NRZ信號(hào)有兩個(gè)級(jí)別，表示邏輯“1”或“0”。PAM 有 4 個(gè)級(jí)別，因此能夠表示 4 種邏輯狀態(tài)。換句話(huà)說(shuō)，每個(gè)符號(hào)中有 2 位信息。對(duì)于 NRZ信號(hào)，比特率等于波特率。對(duì)于 PAM4信號(hào)，比特率等于波特率乘以符號(hào)數(shù)。每個(gè)符號(hào)有 4 種邏輯狀態(tài)，有 2 位信息。因此，PAM4 信號(hào)的比特率是波特率乘以 2。對(duì)于 56 Gbps 比特率，PAM4信號(hào)的波特率為 28 GBd。
如果我們檢查 NRZ 和 PAM4 信號(hào)的頻率內(nèi)容，我們將能夠確定傳輸所需的帶寬量。讓我們舉個(gè)例子。對(duì)于相同的吞吐量，如果 NRZ 為 32 Gbps，則 PAM4 以 32 Gbps 或 16 GBd（每秒）的速度運(yùn)行。從頻譜中，我們可以看到 PAM4 的奈奎斯特頻率為 32/4 = 8 GHz，而 NRZ 的奈奎斯特頻率為 32/2 = 16 GHz很明顯，通過(guò)使用脈沖幅度調(diào)制，它需要的帶寬對(duì)于相同的比特率更低。那么為什么行業(yè)需要 PAM4？而言之，它可以實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)吞吐量，而 PAM4 可以在大約一半的帶寬內(nèi)有效地將吞吐量翻倍。這里的目標(biāo)是繼續(xù)使用現(xiàn)有的信道技術(shù)，無(wú)論是我們今天使用的光纖還是印刷電路板，并實(shí)現(xiàn)更高的吞吐量。
脈沖幅度調(diào)制非常適合支持更高的吞吐量。但這是有代價(jià)的。PAM4確實(shí)存在較低的信噪比，因此設(shè)計(jì)更容易受到噪聲的影響。將4個(gè)級(jí)別打包成2個(gè)幅度擺動(dòng)會(huì)影響信噪比，大約 10 dB 的 SNR 裕度。
為了解決這個(gè)問(wèn)題，需要更復(fù)雜的發(fā)射器/接收器設(shè)計(jì)。將4個(gè)級(jí)別打包成2個(gè)幅度擺動(dòng)會(huì)影響信噪比，大約 10 dB 的 SNR裕度。有限的上升時(shí)間會(huì)產(chǎn)生固有的DDJ，從而關(guān)閉單個(gè) PAM4眼圖。要處理較小的眼圖，則需要更復(fù)雜的發(fā)射器/接收器技術(shù)，因此需要 FEC。時(shí)鐘恢復(fù)電路現(xiàn)在必須檢測(cè)4個(gè)不同的級(jí)別，而不是2個(gè)，這使得設(shè)計(jì)更加困難。
垂直眼圖開(kāi)度小 33% 使PAM4 信號(hào)對(duì)噪聲更敏感，從而導(dǎo)致更高的誤碼率。然而，PAM4 之所以成為可能，是因?yàn)榍跋蚣m錯(cuò) (FEC) 可以幫助鏈接系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)所需的 BER 誤碼率。
PAM4 與前向糾錯(cuò) (FEC) 有什么關(guān)系？由于帶寬增加和對(duì)噪聲敏感性帶來(lái)的高錯(cuò)誤率，PAM4 系統(tǒng)通常輔以前向糾錯(cuò) (FEC) 以保持比特錯(cuò)誤率 (BER) 在可接受的水平。FEC 向傳輸數(shù)據(jù)添加冗余信息，使接收器能夠檢測(cè)并糾正可能發(fā)生的任何錯(cuò)誤。將 PAM4 與 FEC 結(jié)合使用，允許高速數(shù)字系統(tǒng)在保持高帶寬的同時(shí)保持 BER在可接受的水平。
FEC什么意思?
前向糾錯(cuò)碼FEC和信道編碼是在傳輸信道可靠性不高、強(qiáng)噪聲干擾信道中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，用來(lái)控制接收數(shù)據(jù)包誤碼率（丟包、亂碼）的一項(xiàng)技術(shù)。
我們的世界充滿(mǎn)了噪聲。噪聲影響一切，包括數(shù)據(jù)傳輸和通信系統(tǒng)，無(wú)法擺脫。光通信系統(tǒng)的接收器直接受到噪聲的影響，這使得理解接收到的信息變得更加困難。從技術(shù)上講，當(dāng)波通過(guò)光纖傳輸時(shí)，噪聲會(huì)對(duì)光強(qiáng)度產(chǎn)生影響，而在長(zhǎng)距離傳輸時(shí)，光色散會(huì)在信號(hào)中產(chǎn)生明顯的缺陷。每當(dāng)有噪聲或光色散失真的影響時(shí)，光脈沖就會(huì)退化并失去其作為0或1的意義，接收器將接收到的光脈沖轉(zhuǎn)換為電壓。當(dāng)接收器這樣做時(shí)噪聲太大，它會(huì)錯(cuò)誤地解釋數(shù)據(jù)，將0讀為1或?qū)?讀為0。FEC前向糾錯(cuò)在這一點(diǎn)上發(fā)揮作用，因?yàn)樗鼫p少了噪聲對(duì)光傳輸系統(tǒng)傳輸質(zhì)量的影響。通過(guò)在傳輸之前將開(kāi)銷(xiāo)信息添加到比特流中，該方法能夠檢測(cè)和糾正比特流中可能存在的部分錯(cuò)誤。數(shù)據(jù)塊受專(zhuān)門(mén)函數(shù)的約束，這些函數(shù)的輸出是奇偶校驗(yàn)位的生成。開(kāi)銷(xiāo)由冗余位組成，其中還包含奇偶校驗(yàn)位。之后，將初始數(shù)據(jù)塊和這些新數(shù)據(jù)拼接在一起，產(chǎn)生FEC碼字。之后，這個(gè)FEC碼字沿著傳輸線(xiàn)發(fā)送。需要在接收端的設(shè)備上配置相同的FEC模式，以便接收端的FEC解碼器機(jī)制知道對(duì)FEC碼字應(yīng)用什么樣的功能。這允許接收器FEC解碼器機(jī)制選擇功能來(lái)重新生成數(shù)據(jù)并以高精度去除FEC開(kāi)銷(xiāo)。結(jié)果，產(chǎn)生了初始數(shù)據(jù)比特流，然后將其發(fā)送到更高的網(wǎng)絡(luò)層。前向糾錯(cuò) (FEC) 或信道編碼是可以顯著減少這些數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤的技術(shù)。前向糾錯(cuò)的基本原理是添加冗余比特，使解碼器能夠確定來(lái)自發(fā)射機(jī)的真實(shí)消息。FEC技術(shù)可以應(yīng)用于數(shù)字比特流，或者在對(duì)數(shù)字調(diào)制的載波進(jìn)行解調(diào)的過(guò)程中使用。許多 FEC編碼器可以生成比特誤碼率 (BER) 信號(hào)，作為反饋信息對(duì)模擬接收電子設(shè)備進(jìn)行微調(diào)。簡(jiǎn)言之，發(fā)射機(jī)會(huì)對(duì)消息進(jìn)行編碼，并且使用糾錯(cuò)碼 (ECC) 添加附加比特（我們稱(chēng)之為冗余）。這種冗余使接收機(jī)能夠檢測(cè)并糾正消息中任何地方可能出現(xiàn)的有限數(shù)量的 誤碼。更強(qiáng)的代碼需要更多的冗余和系統(tǒng)帶寬，以便降低有效比特率，同時(shí)提高接收的有效信噪比。
需要更多PAM4信息，請(qǐng)查閲資料：
FEC前向糾錯(cuò)原理
利用某種算法將冗余比特添加到所發(fā)送的信息中，從而實(shí)現(xiàn)前向糾錯(cuò)。冗余比特可以是許多原始比特的復(fù)合函數(shù)。FEC 的簡(jiǎn)單示例是將每個(gè)數(shù)據(jù)比特發(fā)送三次。這被稱(chēng)為 (3, 1) 重復(fù)代碼，如下面的圖 1 所示。接收機(jī)會(huì)收到八個(gè)版本的 3 位代碼的輸出。
三個(gè)采樣中任何一個(gè)的誤碼都可以通過(guò)叫做“多數(shù)投票”的功能來(lái)糾正。上面的這種三重模塊冗余的 方法得到了廣泛使用，但它是一種效率稍低的 FEC形式。有效的FEC編碼通常檢查接收的最后幾十或幾百個(gè)比特，然后確定如何解碼少量比特（通常以 2 到 8 比特的組合為單位）。
PAM4測(cè)量和應(yīng)用
在詳細(xì)介紹特定的 PAM4測(cè)量之前，我想指出需要定義進(jìn)行這些測(cè)量的測(cè)試設(shè)備的頻率響應(yīng)。
如今，大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)都包括測(cè)試設(shè)備所需的頻率響應(yīng)。原因是測(cè)試設(shè)備的不同頻率響應(yīng)會(huì)影響測(cè)量眼圖的形狀。示波器等測(cè)試設(shè)備通常具有兩種不同的頻率響應(yīng)：貝塞爾湯姆遜 (Bessel Thomson) 或磚墻。貝塞爾湯姆遜 (Bessel Thomson) 頻率響應(yīng)的特點(diǎn)是 4dB/十倍頻程的平緩下降，而磚墻頻率響應(yīng)的特點(diǎn)是響應(yīng)在 -3dB 點(diǎn)急劇下降。
右側(cè)的眼圖顯示了貝塞爾湯姆遜 (Bessel Thomson) 或磚墻頻率響應(yīng)的影響。使用具有貝塞爾湯姆遜 (Bessel Thomson) 和磚墻頻率響應(yīng)的測(cè)試設(shè)備獲取的眼圖。您可以看到眼圖形狀的明顯差異。這就是為什么當(dāng)今大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)都包括測(cè)試設(shè)備的頻率響應(yīng)，以便在測(cè)量中提供更高的一致性。
盡管 PAM4 以一半的帶寬將吞吐量翻倍，但信道損耗仍然很大，當(dāng)走線(xiàn)長(zhǎng)度為幾英寸時(shí)，情況更是如此。因此，發(fā)射器和接收器仍然需要一定程度的信號(hào)調(diào)節(jié)。
發(fā)射器通常在信號(hào)進(jìn)入信道之前在其輸出端對(duì)信號(hào)進(jìn)行去加重。如果我們查看信道末端信號(hào)的眼圖，通常會(huì)觀(guān)察到閉眼。接收器將在信號(hào)鎖定之前應(yīng)用均衡以進(jìn)一步打開(kāi)眼圖。讓我們看看 PAM4 所需的一些新測(cè)量。
通常，發(fā)射機(jī)中非線(xiàn)性失真的可能來(lái)源是 1) DAC 位加權(quán)誤差和 2) 線(xiàn)性階段的增益壓縮/擴(kuò)展。這些非線(xiàn)性或幅度壓縮會(huì)改變不同過(guò)渡眼的眼高，從而由于較低過(guò)渡的信噪比較低而導(dǎo)致線(xiàn)性誤差。
例如，右下角的眼圖說(shuō)明了眼圖張開(kāi)不對(duì)稱(chēng)的情況。左側(cè)的第一幅圖顯示較小的中間眼圖，右側(cè)的眼圖顯示較小的頂部眼圖。如果判決閾值電壓電平如虛線(xiàn)紅線(xiàn)所示，那么由于線(xiàn)性誤差，您會(huì)預(yù)期出現(xiàn)誤差。用于計(jì)算眼線(xiàn)性的 OIF/CEI 標(biāo)準(zhǔn)采用最小眼幅度與最大眼幅度之比。對(duì)于 IEEE，計(jì)算需要信號(hào)中間的電壓電平以及可能電平的單個(gè)電壓。這兩項(xiàng)測(cè)試都將在 PRBS13Q 模式信號(hào)上執(zhí)行。
IEEE 和 OIF-CEI 都引入了一項(xiàng)概念，即用一種將發(fā)射器確定的實(shí)際平均脈沖響應(yīng)與提取的線(xiàn)性模型進(jìn)行比較的技術(shù)來(lái)取代許多歷史性的可補(bǔ)償符號(hào)間干擾 (ISI) 抖動(dòng)分析方法。該技術(shù)使用線(xiàn)性擬合脈沖峰值，并利用提取的脈沖響應(yīng)來(lái)執(zhí)行信噪比和失真比 (SNDR)。
SNDR 是理想信號(hào)與測(cè)量信號(hào)在指定次數(shù)的測(cè)量中的差異。
測(cè)量在 TX 輸出端執(zhí)行，所有通道均已啟用，并且所有通道均使用相同的均衡器設(shè)置。任何未使用的通道都需要傳輸 PRBS31Q。對(duì)于被測(cè)通道，使用 PRBS13Q 模式進(jìn)行傳輸。獲取信號(hào)并將其導(dǎo)入數(shù)學(xué)程序以計(jì)算線(xiàn)性擬合脈沖響應(yīng) p(k) 并獲取 Pmax 值。然后計(jì)算線(xiàn)性擬合誤差波形 e(k) 以從其標(biāo)準(zhǔn)偏差中獲得 SigmaE。然后測(cè)量與平均電壓的 RMS 偏差以獲得 SigmaN。使用之前計(jì)算出的所有值，使用此處顯示的公式來(lái)計(jì)算 SNDR。
有不同的 TX 架構(gòu)用于生成 PAM4信號(hào)。如果您擁有如圖所示的架構(gòu)，其中有兩個(gè)由兩個(gè)時(shí)鐘緩沖器生成的 NRZ模式，則可能在不同的邊緣上出現(xiàn)不同的不相關(guān)抖動(dòng)。
因此，與 NRZ信號(hào)相比，J3/J4 和奇偶抖動(dòng)的測(cè)量方式不同。
對(duì)于 J3/J4 抖動(dòng)，我們?cè)?PRBS13Q 模式的 12 個(gè)特定邊緣上測(cè)量 RJ/PJ，組合這些邊緣并報(bào)告 J3u/J4u 抖動(dòng)的結(jié)果。
對(duì)于奇偶抖動(dòng)，我們使用相同的 PRBS13Q 模式并報(bào)告這 12 個(gè)邊緣中每個(gè)邊緣的最大奇偶抖動(dòng)。
原文地址：(28 封私信 / 99+ 條消息) 為什么以太網(wǎng)傳輸不使用高階（類(lèi)似QAM）的調(diào)制方式？而是采用PAM4？ - 知乎 (zhihu.com)
